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昆虫化学生态学研究领域的重大突破性进展
时间:2021-03-26 10:58:36

为抵御害虫侵扰,自然界中的植物常常会产生防御反应,生成大量毒素。然而害虫烟粉虱却对此无惧,能够侵害超过600种植物。为何它有如此强的适应性?中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队经过20年努力,于近日发现了烟粉虱体内存在来自植物的水平转移基因BtPMaT1,揭示了该基因能够分解植物毒素从而形成烟粉虱广泛寄主适应性的分子机制。

3月25日23时,相关论文在国际期刊《细胞》上在线发表,并将作为封面文章于4月1日出版。这是我国农业害虫研究领域在《细胞》上的首篇论文,揭示了昆虫如何利用水平转移基因来克服宿主的防御,为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角,也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所所长张友军介绍,烟粉虱作为外来入侵物种,被联合国粮农组织认定为世界第二大害虫。它不仅刺吸植物汁液、诱发真菌病害,更能传播300余种病毒,每年在全球造成数十亿美元的经济损失。极度多食性和广泛的寄主适应性是其暴发成灾的主因。

张友军团队自2001年起开始探索烟粉虱寄主适应性机制。本次研究中,研究人员在番茄叶片上发现了防御毒素酚糖。由于过量的酚糖对番茄本身生长不利,番茄便利用一种PMaT基因来代谢酚糖。在相应的对烟粉虱的研究中,研究人员利用生物信息学和分子生物学方法,发现在烟粉虱基因组内也存在一个基因BtPMaT1,且该基因在成虫的肠道中呈特异性表达。毒力测定和试验显示,BtPMaT1基因对番茄分泌的酚糖具有解毒功能,且该基因仅来自植物或少数真菌,不同于一般基因亲代传给子代的垂直转移,它是由植物通过基因的水平转移在进化的过程中进入烟粉虱体内,并一代代保留下来。研究人员推测,本次基因的水平转移可能是因烟粉虱感染含有植物基因的病毒而发生的,转移时间在3.5千万~8.6千万年前,具体过程有待进一步研究。

张友军表示,科学界此前已发现,基因的水平转移在细菌和高等生物中都有存在。本研究首次利用生物信息学、分子生物学、生物化学等方法在多个层面上证明烟粉虱的BtPMaT1基因是植物源的水平转移基因,而烟粉虱通过“偷盗”该植物基因自我保护,对抗植物毒素。正如古人的“以子之矛攻子之盾”,烟粉虱正是通过这种巧妙的进化方式促进其广泛寄主适应性。这也是国际上首次报道动物通过水平基因转移方式获得植物源基因,且该基因具有生物学功能。《细胞》期刊的审稿人一致认为,该成果是昆虫化学生态学研究领域的重大突破性进展。

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