Cell 重磅！| 浙大植保系合作揭示水平转移基因广泛存在于昆虫基因组中，并增强雄性昆虫求偶行为

2022年7月18日，浙江大学联合美国范德堡大学在Cell杂志在线发表题为“HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans”的研究论文。

该研究系统性地解析了昆虫纲水平转移基因的分布、命运，以及功能，研究结果有助于深入理解昆虫生物多样性的产生模式，并为农业害虫防控新策略的制定提供理论基础。

浙江大学农业与生物技术学院昆虫科学研究所研究生李杨、刘志国、刘超为共同第一作者，浙江大学农业与生物技术学院昆虫科学研究所沈星星研究员、黄健华研究员、范德堡大学Antonis Rokas教授为共同通讯作者。感谢浙江大学陈学新教授给予大力支持与帮助。陈云教授、潘荣辉研究员、周文武研究员等也参与本研究。

昆虫起源于约4.8亿年前，是地球上最繁盛的动物类群，已被描述种超过100万，占所有动物物种50%以上。这个古老的动物类群在发育、行为、社会性、生态等方面展现出丰富的多样性。对于产生昆虫多样性原因的研究多数学者往往聚焦于垂直基因遗传——祖先将遗传物质通过繁殖方式传递给后代。与此相对，水平基因转移（Horizontal gene transfer: HGT）通过跨不同物种直接进行水平传递（图1）。那么，丰富多样的昆虫存在多少HGT基因？HGT基因如何在昆虫体内保留下来？HGT基因在昆虫体内起到哪些重要生物学功能？

图1：水平基因转移（HGT）示意图

蝴蝶和蛾获得最多数量水平转移基因

结合218个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法，我们鉴定到1410个HGT基因（图2）。平均而言，鳞翅目（蝴蝶和蛾）获得16个HGT基因 / 物种， 半翅目（如稻飞虱）获得13个HGT基因 / 物种， 鞘翅目（如甲虫）获得6个HGT基因/ 物种，膜翅目（如蜜蜂）获得3个HGT基因/ 物种。从HGT来源来说，79%的HGT基因是从细菌中获得，13.8%是从真菌中获得，2.6%是从病毒中获得，3%是从植物中获得，剩下1.6%的来源未知。

图2：水平基因转移在218昆虫中分布。

内含子获得事件改变了水平转移基因的命运

为了解析HGT在昆虫体内的命运，基于昆虫HGT基因和供体中的对应基因的比较基因组学研究，我们发现：HGT基因水平转移到昆虫基因组后，来自昆虫一段高度重复的内含子插入到HGT基因中，并促使HGT基因高水平表达。更重要的是，越早获得HGT基因，它的基因结构与本地基因的结构越相似。这两个结果充分地说明：HGT基因伴随着昆虫适应性进化，它的基因功能和结构伴随着变化，从而免于被昆虫清除掉，达到“存活”在昆虫基因组上的目的（图3）。

图3：水平转移基因命运假说

蝴蝶和蛾获得增强求偶行为的水平转移基因

进一步分析，我们发现蝴蝶和蛾均从李斯特菌Listeria中获得同一个水平转移基因LOC105383139。基于基因编辑技术，我们把十字花科重要农业害虫小菜蛾的水平转移基因LOC105383139进行敲除研究。我们惊讶地发现：相比较野生型小菜蛾， 突变体小菜蛾后代数目少了约70%，但是突变体的生长发育（如体长、进食、运动、生殖器官等）均未受到影响。通过行为学实验进一步验证，发现突变体雄虫对雌虫的求偶欲望显著地降低。因此，蝴蝶和蛾HGT基因LOC105383139有助于增强雄虫对雌虫求偶行为（图4）

图4：水平转移基因增强雄虫对雌虫求偶行为

总结，本研究为昆虫提供了高质量的HGT基因资源库，这些资源将有助于其他研究者开展昆虫水平转移基因的生物学功能研究。此外，本研究发现的HGT基因进化模式也为昆虫生物科学、农业害虫防治、以及昆虫生物多样性提供了重要的新视角。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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