菟丝子氨基酸的功效(“偷”营养又“偷”基因科学家在寄生植物领域又一新发现)

一些寄生植物从宿主植物中窃取遗传物质，并利用这些偷来的基因更有效地吸收寄主的营养。宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚理工大学的研究人员进行的一项新研究显示，寄生植物菟丝子从宿主身上窃取了大量的遗传物质，包括100多个功能基因。这些偷来的基因有助于菟丝子抓住宿主并从宿主那里偷取营养物质，甚至将基因武器送回宿主体内。这项新研究发表在2019年7月22日的《自然植物》杂志上。

宾夕法尼亚州立大学生物学教授、该研究的资深作者克劳德·德帕姆菲利斯(Claude dePamphilis)说：“基因水平转移，即基因物质从一个有机体转移到另一个物种的基因组，在微生物中非常常见，是细菌获得抗生素耐药性的主要途径。在像植物这样的复杂生物体中，我们没有看到太多水平基因转移的例子，即使我们看到了，这种转移的基因材料通常也不会被使用。在这项研究中，我们提出了迄今为止在复杂生物体中发现的最具戏剧性的功能水平基因转移案例。”

像菟丝子这样的寄生植物不能通过光合作用产生能量而独立生存。相反，它们利用一种叫做吸器的结构来获取宿主植物的水分和营养。菟丝子把自己包裹在寄主植物周围，生长在它的维管组织中，并且经常同时以多种植物为食。它可以寄生于许多不同的物种——野生植物以及那些具有农业和园艺重要性的植物。

德帕姆菲利斯说:“寄生植物与寄主的关系非常密切，它们能从中提取营养。但在这个过程中，它们也会获得遗传物质，有时它们会把这些物质整合到自己的基因组中。以前的研究主要集中在单个转移基因上。在这里，我们使用基因组规模的基因表达数据集来确定通过水平基因转移而来的大量遗传物质是否真的被使用了。”

研究小组鉴定了108个基因，这些基因通过水平基因转移被添加到菟丝子的基因组中，并在其寄生虫活动中起作用。这些基因有助于吸器结构、防御反应和氨基酸代谢的完善。一个被窃取的基因甚至会产生被称为微RNA的小片段RNA，这些RNA会被送回宿主植物中，充当武器，可能在抑制宿主防御基因方面发挥作用。

该团队使用严格的标准来确定被盗遗传物质是否可能具有功能性：基因必须是全长的，它们必须包含基因的所有必需部分，必须转录成后来构建的RNA序列蛋白质，必须在相关结构中表达。该团队还探索了这些转移基因的进化，作为对功能的额外支持。

德帕姆菲利斯说:“我们将一个基因的基因序列与密切相关的基因进行比较，然后寻找该序列进化过程中的一个特殊特征，以判断它是否可能具有功能。基因中的某些突变不影响基因编码的蛋白质，因此不影响基因的功能。当我们看到大量的这类突变时，与可能改变或破坏基因功能的突变相反，有力的证据表明，自然选择有助于保持蛋白质完整和有用。”

108个基因中有18个出现在所有菟丝子物种中，这表明这些基因最初是由菟丝子的祖先偷来的，并通过遗传，保存在了现代物种中。

德帕姆菲利斯说:“这是首次有研究表明，水平基因转移发生在寄生植物群体进化的早期。在这种情况下，这些基因中有18个存在于所有现存菟丝子物种的共同祖先中，这可能有助于这些寄生植物的成功繁衍。”

研究小组还发现菟丝子基因组中有42个区域似乎是水平基因转移的结果，但没有任何功能基因。

德帕姆菲利斯说:“由于如此大量的遗传物质是通过水平基因转移而来的，我们怀疑寄生植物无法过滤进来的物质。但自然选择正在帮助保留有用的基因，并过滤掉不那么有用的部分。”

研究人员目前正在研究遗传物质是如何从宿主植物转移到寄生植物身上的。他们还想探索这种转移是单行道，还是宿主也可以从寄生植物身上获得遗传物质。

“我们很想知道水平基因转移到底有多广泛，”德帕姆菲利斯说。“我们只观察了菟丝子的一种，而它又只是4000多种寄生植物中的一种。功能基因的水平转移在其它物种中是否也会同样程度的发生？在非寄生植物中可能吗？在其他复杂的生物体中呢？这可能只是冰山一角。”