植物間水平基因轉(zhuǎn)移
——基因交流新途徑及其農(nóng)業(yè)利用潛力

楊 洋, 袁 璐, 劉 彬, 王挺進, 張愛珺, 劉 柯, 李旭青, 道麗筠, 袁 鑫,陳利萍,,*

(1.浙江大學 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院 園藝系,浙江 杭州 310058; 2.青海省烏蘭縣農(nóng)牧和鄉(xiāng)村振興局,青海 烏蘭 817199; 3.浙江大學山東(臨沂)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院,山東 臨沂 276000)

水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer, HGT),又稱橫向基因轉(zhuǎn)移(lateral gene transfer, LGT),是指通過受精以外的方式進行的跨物種遺傳物質(zhì)傳遞,對生物進化有著十分重要的意義。水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象首先于1928年在小鼠的肺炎球菌中被觀察到,隨后在大腸埃希菌中得到證實[1-3],并在此后成為研究原核生物進化的重要方向。隨著二代測序技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入,研究者們逐漸在真核生物,包括真菌[4-5]、動物[6-7]、植物[8-11]中都發(fā)現(xiàn)了水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。目前,盡管人們對生物中水平基因轉(zhuǎn)移的研究方法和發(fā)生規(guī)模仍有爭議,但它在生物進化過程中發(fā)揮的作用仍受到了廣泛的關(guān)注和越來越多的認可。

植物是地球生命至關(guān)重要的組成部分,不僅為我們提供了生命活動所必需的氧氣、食物等資源,也具有著重要的觀賞和研究價值,更是我們了解物種起源和物種進化的重要材料。研究表明,水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象在植物的進化過程中持續(xù)發(fā)生,并幫助植物向環(huán)境適應(yīng)方向不斷地進化。早在1970年,研究者就利用抗性培養(yǎng)基篩選的方法證明了藍藻中基因交換現(xiàn)象的存在[12]。但直到進入21世紀后,隨著測序技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)發(fā)育分析法的應(yīng)用,大量植物間水平基因轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象才得以發(fā)現(xiàn)。2003年,相繼報道了兩例對高等植物間水平基因轉(zhuǎn)移的研究[13-14]。隨后的研究進一步發(fā)現(xiàn),植物的細胞核和細胞器基因組均可以進行轉(zhuǎn)移。水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象不僅能夠在植物進化過程中自然發(fā)生,也可以通過嫁接等方法人工操作誘導(dǎo)產(chǎn)生,從而賦予植物新的性狀[15]。因此,對植物水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的探究,不僅有利于了解植物的進化過程,也可以為植物新性狀的起源與形成提供確鑿證據(jù)。本文綜述了一些典型的植物間水平基因轉(zhuǎn)移事件,以及近年來國內(nèi)外最新研究進展,以期為植物水平基因轉(zhuǎn)移在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的利用提供理論依據(jù)與新途徑。

1 植物間水平基因轉(zhuǎn)移的途徑

一般而言,水平基因轉(zhuǎn)移需要供體與受體間的直接接觸,這種情況往往發(fā)生在寄生植物與其寄主之間或嫁接植物的接穗和砧木間。除此之外,植物還可以通過媒介進行基因的水平轉(zhuǎn)移。因此,對植物而言,水平基因轉(zhuǎn)移可以通過直接和間接兩種途徑來進行。其中,直接轉(zhuǎn)移又包括了寄生和嫁接兩種方式,即寄生介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移與嫁接介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移。

1.1 寄生介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移

在目前的報道中,大部分水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象都是在寄生植物和寄主之間產(chǎn)生的。許多寄生植物能夠通過吸器與其寄主產(chǎn)生細胞間的緊密連接,這可能是兩者間頻繁基因交流的基礎(chǔ)。有研究稱,隨著異養(yǎng)程度的增強,植物通過水平轉(zhuǎn)移獲得的基因數(shù)量也會上升[16]。因此,用寄生植物來探究水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象及其發(fā)生規(guī)律具有重要意義。

寄生性雜草往往會為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的危害。多項研究表明,寄生植物通過水平轉(zhuǎn)移獲得的基因能夠在其寄生性中起作用。列當科為唇形目的重要類群,其下全部為草本寄生植物,包括15個屬的150多種植物,我國擁有其中的9屬[17]。在列當科的這些寄生植物中,存在著一些農(nóng)業(yè)雜草,如寄生在禾本科農(nóng)作物的獨腳金(Strigaasiatica)以及寄生在豆科、菊科、茄科以及葫蘆科作物上的列當(Orobanchecoerulescens)。研究發(fā)現(xiàn),列當科植物與其寄主間存在著大量的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。Yang等[16]對該科的3種寄生植物變色直果草(Triphysariaversicolor)、黃獨腳金(Strigahermonthica)以及分枝列當(Phelipancheaegyptiaca)進行系統(tǒng)發(fā)育分析后,發(fā)現(xiàn)了52個高置信度的水平基因轉(zhuǎn)移事件,其中多數(shù)基因優(yōu)先在吸器中表達,并有可能在這些植物與寄主的相互作用中發(fā)揮功能。隨后,Kado等[18]對列當科的另外5種寄生植物進行基因組測序,并對其豆科、禾本科寄主的參考基因組和轉(zhuǎn)錄組進行聯(lián)合分析后,在兩種專性寄生植物小列當(Orobancheminor)和野菰(Aeginetiaindica)中共發(fā)現(xiàn)了106個水平轉(zhuǎn)移的基因,它們主要富集在非編碼RNA(ncRNA)代謝和維生素代謝中。此外,為進一步加強對獨腳金寄生性的理解,Yoshida等[19]對其進行了基因組測序,也發(fā)現(xiàn)了34個水平轉(zhuǎn)移的候選基因。

菟絲子(Cuscuta)同樣是一種對農(nóng)業(yè)有嚴重危害的惡性寄生雜草,能夠寄生在豆科、葫蘆科、茄科、十字花科的多種作物上,導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn),菟絲子與其寄主間也存在著廣泛的水平基因轉(zhuǎn)移,包括由菟絲子到寄主[20-21],以及由寄主到菟絲子的轉(zhuǎn)移[22-24]。為了探究菟絲子中水平基因轉(zhuǎn)移的規(guī)模,Yang等[25]對原野菟絲子(Cuscutacampestris)進行了從頭轉(zhuǎn)錄組裝和系統(tǒng)發(fā)育分析,鑒定到了108個能夠轉(zhuǎn)錄并且可能具有功能的水平基因轉(zhuǎn)移事件,它們富集在吸器表達,在防御反應(yīng)和氨基酸代謝途徑中發(fā)揮作用,可能有助于菟絲子與寄主的相互作用。隨后,對原野菟絲子的核基因組測序也發(fā)現(xiàn)了來自至少32種不同供體的64個水平轉(zhuǎn)移的候選基因,其中大部分來自其豆目或石竹目寄主。它們中的部分在吸器中的表達明顯上調(diào)。該研究再次證明,菟絲子通過水平轉(zhuǎn)移獲得的基因可能在寄生過程中發(fā)揮作用[23]。吸器是寄生植物入侵寄主以及從寄主中獲取營養(yǎng)物質(zhì)的器官,對寄生植物的生長發(fā)育具有重要意義。因此,對寄生植物與寄主間水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的探究,可能有助于對寄生植物的了解以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對寄生性雜草的防治。

除了這兩類農(nóng)業(yè)雜草外,還有一些寄生植物及其寄主中也存在著水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,如大花草科植物及其葡萄科寄主[26-28],列當科寄生植物肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)及其寄主梭梭(Haloxylonammodendron)[29],以及鎖陽(Cynomorium)及其無患子目、石竹目寄主[30-31]等?？傊?這些水平轉(zhuǎn)移基因的發(fā)現(xiàn),對于探究寄生過程的進行以及潛在的農(nóng)業(yè)雜草防治手段都具有十分重要的意義。

1.2 嫁接介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移

由于嫁接能夠?qū)е陆铀肱c砧木間細胞的連接,所以嫁接介導(dǎo)基因水平轉(zhuǎn)移是受人工操作控制的方法。從報道的資料來看,對嫁接介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移的研究大多在茄科煙草屬或種間進行,一般思路為,將嫁接部位放置在抗性培養(yǎng)基上,并進行愈傷組織的誘導(dǎo)以及成功轉(zhuǎn)移材料的篩選(圖1)。嫁接之后的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,最早便是通過這種方法在煙草中觀察到的[15]。隨后再次通過煙草的嫁接證明了葉綠體基因組在接穗和砧木間的轉(zhuǎn)移,為細胞器在細胞間的運動提供了證據(jù)[32-33]。當然,線粒體和核基因同樣也可以通過嫁接發(fā)生水平轉(zhuǎn)移,且不同基因組的轉(zhuǎn)移可以同時存在[34-35]。

圖片參考自Stegemann等[15]的文章。a,接穗;b,嫁接部位;c,砧木;d,再生芽。The picture is taken from the article of Stegemann et al.[15]. a, Scion; b, Graft region; c, Rootstock; d, Regenerating shoots.

上述實驗的成功使得嫁接成為研究水平基因轉(zhuǎn)移機制的重要手段。通過對煙草的嫁接和嫁接部位的實時成像觀察發(fā)現(xiàn),在傷口的愈傷組織增殖過程中,質(zhì)體會脫分化成為小的、高度運動的變形細胞器。同時,細胞間形成新的連通孔隙,脫分化的質(zhì)體通過這些孔隙進入相鄰的細胞。這是首次利用嫁接技術(shù)獲得質(zhì)體在細胞間水平轉(zhuǎn)移的可視化證據(jù)[36]。

1.3 媒介介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移

一般認為,水平基因轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)需要細胞間的直接接觸,但仍有部分研究發(fā)現(xiàn),在遠緣且無直接接觸關(guān)系的物種間也存在水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。因此,研究者們提出了載體介導(dǎo)假說,即遺傳物質(zhì)能夠以細菌、病毒等載體為媒介,在不同植物間轉(zhuǎn)移。

病毒是水平基因轉(zhuǎn)移的理想載體,它具有強大的捕獲和整合外源基因的能力,通過對其他生物體的感染,可以將這些捕獲到的基因再次轉(zhuǎn)移[37]。在病毒介導(dǎo)下,水平轉(zhuǎn)移的基因可能來自線蟲、昆蟲等多種生物,但目前對病毒介導(dǎo)的植物間基因轉(zhuǎn)移的報道很少。首次通過實驗驗證的,是伊朗甜菜曲頂病毒(BeetcurlytopIranvirus, BCTIV)在感染甜菜(Betavulgaris)后能夠產(chǎn)生病毒/寄主雜交DNA分子,并與病毒同時在其他受感染的植物中傳播[38]。

錯位授粉假說同樣是水平基因轉(zhuǎn)移的假設(shè)機制之一。錯位授粉假說是指供體的花粉粒在與其有生殖系統(tǒng)隔離的受體物種的柱頭上萌發(fā),隨后一些外源基因與受體的基因組進行重組和整合,并在選擇中遺傳給后代的水平基因轉(zhuǎn)移機制,一般在親緣關(guān)系較近的物種之間發(fā)生。目前這種現(xiàn)象在禾本科的毛穎草屬(Alloteropsis)與C4植物、狗尾草屬(Setaria)與水稻(Oryzasativa)以及早熟禾屬(Poa)與羊茅(Festucaovina)間均有推測報道,但尚未通過實驗證實[39-41]。

此外,水平基因轉(zhuǎn)移的可能載體還包括細菌、真菌、昆蟲、線蟲、轉(zhuǎn)座子等,但目前對媒介介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的研究,還并不充分。

2 植物中水平轉(zhuǎn)移基因的分類

植物細胞中含有3個相對獨立的基因組,分別是核基因組、葉綠體(質(zhì)體)基因組以及線粒體基因組,每種基因組都可能成為基因水平轉(zhuǎn)移的供體或受體。當然,不同基因組發(fā)生交換的頻率不同,也會有基因二次轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)生,如基因可能會先從寄主的葉綠體轉(zhuǎn)移到細胞核,然后再轉(zhuǎn)移到寄生植物中[42]。此外,雖然大多數(shù)轉(zhuǎn)移的都是DNA片段,但RNA片段的轉(zhuǎn)移也同樣存在[43]。

2.1 線粒體基因轉(zhuǎn)移

線粒體是細胞代謝的中樞,在細胞的生長分化、能量供應(yīng)與凋亡等生理活動中發(fā)揮著重要功能。它被認為是由水平基因轉(zhuǎn)移形成的,來源于一種內(nèi)共生的α-蛋白桿菌[44]。對24種植物進行研究后發(fā)現(xiàn),線粒體在細胞內(nèi)不同基因組間的轉(zhuǎn)移非常普遍,它既可以作為轉(zhuǎn)移序列的受體,也可以作為供體[45]。與葉綠體和核基因組相比,線粒體更加活躍,更容易發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移。植物的線粒體能夠輸入DNA或RNA,并容易發(fā)生融合;線粒體也有一套活躍的同源重組系統(tǒng),這些特性都可能幫助線粒體參與到基因的水平轉(zhuǎn)移中[46-47]。在某些情況下,植物通過水平轉(zhuǎn)移獲得的線粒體基因甚至能夠占據(jù)其蛋白質(zhì)編碼基因含量的80%[48-51]。此外,線粒體也會接受來自細胞核和葉綠體的基因[52-54]。因此,線粒體基因組可以被看作是通過基因轉(zhuǎn)移整合而成的基因組。

線粒體是為生命活動提供能量的重要場所,其基因組中包含一些與能量代謝相關(guān)的基因。其中,cox1編碼細胞色素氧化酶亞基1(cytochrome oxidase subunit 1),在氧化磷酸化中發(fā)揮作用[55]。大量研究表明,cox1基因中的I組內(nèi)含子在不同植物中經(jīng)歷了多次水平轉(zhuǎn)移,其發(fā)生規(guī)模和頻率甚至可以用猖獗來形容。它是第一例在植物中得到證實的線粒體水平轉(zhuǎn)移基因,最初由被子植物通過真菌的轉(zhuǎn)移獲得,隨后在不同被子植物間又進行了多達約70次獨立的轉(zhuǎn)移[56-58]。內(nèi)含子介導(dǎo)的調(diào)節(jié)是真核生物基因表達調(diào)控的重要機制。因此,不同植物cox1基因中I組內(nèi)含子在不同位置的插入,可能會對該基因的表達起到意想不到的作用。此外,cox1基因本身也可以在不同物種間進行轉(zhuǎn)移。藤本寄生植物無根藤(Cassythafiliformis)的線粒體基因cox1 具有兩種不同起源的拷貝,其中一種可能來自木蘭類植物的垂直遺傳,并且具有完整的開放閱讀框(open reading frames, ORFs),而另一種則為假基因拷貝,它可能來自旋花科植物的水平轉(zhuǎn)移[59]。

除cox1外,線粒體水平基因轉(zhuǎn)移中報道較多的還包括NADH脫氫酶基因nad1和nad5[14,60],核糖體蛋白基因rps2和rps11[13,54,61],以及ATP合成酶基因atp1和atp8[13,20,31,62]等(表1),它們均是調(diào)控線粒體生物氧化作用的重要基因,其轉(zhuǎn)移在低等植物和高等植物中普遍存在。研究發(fā)現(xiàn),硅藻中的cox1_g2_B內(nèi)含子可能通過水平轉(zhuǎn)移進入了其他藻類[63];蕨類植物蕨萁(Botrychiumvirginianum)的線粒體中存在著來自被子植物的nad1B-C和matR片段[64];裸子植物北非雪松(Cedrusatlantica)的線粒體中也含有可能來自被子植物的rps3和rpl16序列[65]。線粒體基因水平轉(zhuǎn)移規(guī)模之大的另一個表現(xiàn)是,這種轉(zhuǎn)移甚至可以雙向發(fā)生。早前的研究證明,菟絲子通過水平轉(zhuǎn)移將atp1轉(zhuǎn)移到了其寄主車前屬(Plantago)中,并在寄主中變?yōu)榱思倩騕20];近期對菟絲子線粒體基因組進行分析后發(fā)現(xiàn),其Pachystigma亞屬的atp1基因同樣是通過水平轉(zhuǎn)移從唇形目寄主中獲得的,并可能已經(jīng)對其原始基因進行了功能性替代[66]。最具代表性的是裸花蛇菰(Lophophytummirabile),它從豆科寄主中獲得了大量的線粒體基因序列,且?guī)缀跛械倪@些外來基因都與其原始基因構(gòu)成了嵌合基因,或取代了原始基因。其中,有23個外源基因可以轉(zhuǎn)錄為mRNA,說明它們極有可能被翻譯為蛋白質(zhì),并在呼吸作用中發(fā)揮功能[48-49,67]。值得一提的是,裸花蛇菰核基因組中同樣存在來自豆科寄主的水平轉(zhuǎn)移基因sdh3,它能夠與線粒體蛋白相互作用[68]。這項研究說明了一個有趣的現(xiàn)象,即外源基因在新的物種中也能夠繼續(xù)合作。

表1 植物間線粒體基因的水平轉(zhuǎn)移

線粒體對植物育性的控制也是一個備受關(guān)注的熱點。細胞質(zhì)雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)是指細胞核不育基因和細胞質(zhì)不育基因共同控制的雄性不育,其表現(xiàn)主要為無法產(chǎn)生功能性花粉[69]。Woloszynska等[70]發(fā)現(xiàn),一些菜豆屬(Phaseolus)物種的線粒體基因組中,控制雄性不育的片段pvs(Phaseolusvulgarissterility sequence)中包含了葉綠體trnA內(nèi)含子序列,稱為pvs-trnA,它們可能來源于非雙子葉植物的水平轉(zhuǎn)移。隨后,Gurdon等[34]將細胞質(zhì)雄性不育的煙草與育性正常的煙草進行嫁接后,發(fā)現(xiàn)線粒體DNA能夠在接穗和砧木間移動,并恢復(fù)煙草的育性。同時,他們還挖掘了與胞質(zhì)雄性不育相關(guān)的基因orf293,并確認了它在可育系中的存在和不育系中的缺失。由此可見,水平基因轉(zhuǎn)移不僅有助于細胞質(zhì)不育系與可育系的構(gòu)建,并且可用于CMS相關(guān)基因的鑒定,對于育種工作有重要的意義。

但并非所有物種的線粒體中都存在大量的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),槲寄生(Viscumscurruloideum)的線粒體中幾乎不存在水平轉(zhuǎn)移的基因[71]。同樣,菟絲子線粒體基因組中水平轉(zhuǎn)移基因的比例也遠低于此前的預(yù)測[72-73]。這種情況出現(xiàn)的原因,可能是這兩個物種有絲分裂的基因組較小,限制了對外來序列的整合能力。與之相反的例子是無油樟(Amborellatrichopoda),它從其他陸地植物中獲得了20個線粒體蛋白基因的拷貝,且該植物的線粒體基因組包含了6個基因組大小的外源線粒體DNA,它們來自綠藻、苔蘚以及其他的被子植物,其中甚至包括3種綠藻和1種苔蘚的完整基因組[74-76]。

2.2 葉綠體基因轉(zhuǎn)移

葉綠體是植物光合作用的場所,它同樣來源于一種典型的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,最初由一種內(nèi)共生的藍細菌形成[44]。研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)體通常不會發(fā)生融合和重組,因此葉綠體大多是以整個細胞器為單位進行轉(zhuǎn)移的[32]。細胞器在不同物種間的轉(zhuǎn)移可能會導(dǎo)致核質(zhì)不親和(nucleocytoplasmic incompatibility)現(xiàn)象的發(fā)生,因此這可能也是阻礙物種之間,尤其是遠緣物種間質(zhì)體水平基因轉(zhuǎn)移的因素之一[32]。

葉綠體及其片段的轉(zhuǎn)移多發(fā)生在葉綠體與細菌、真菌間或植物細胞的內(nèi)部,且出現(xiàn)在植物進化的早期[77-78],而涉及植物間葉綠體水平基因轉(zhuǎn)移的報道并不多,其中最早的研究來自一組寄生性的非光合開花植物。對小苞列當屬(Phelipanche)中幾種植物的葉綠體進行系統(tǒng)發(fā)育分析后,發(fā)現(xiàn)了一個包含rps2、trnL-F和rbcL的水平基因轉(zhuǎn)移區(qū)域,且這段轉(zhuǎn)移片段的供體也是寄生植物[79]。通過對寄生植物肉蓯蓉質(zhì)體基因組的分析,發(fā)現(xiàn)它從寄主梭梭中獲得了rpoC2基因的1個拷貝[29]。對野菰的葉綠體基因組進行組裝后發(fā)現(xiàn),其質(zhì)體基因組中的atpH基因是從另一個被子植物的質(zhì)體中轉(zhuǎn)移過來的[80]。此外,葡萄(Vitisvinifera)的線粒體基因組中存在大量與野胡蘿卜(Daucuscarota)葉綠體基因組高度相似的序列,且這些序列與其他已發(fā)表的葉綠體基因組序列沒有同源性,表明這可能是第一例發(fā)現(xiàn)的由線粒體向葉綠體進行水平基因轉(zhuǎn)移的事件[81]。但總體來說,葉綠體中外來序列的天然插入現(xiàn)象是相對少見的(表2)。

表2 植物間葉綠體基因的水平轉(zhuǎn)移

然而,與進化過程中自然發(fā)生的頻率相反,在目前報道的嫁接介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移中,對葉綠體轉(zhuǎn)移的研究是最多的[15,32-33,82]。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,除了葉綠體在水平基因轉(zhuǎn)移的研究上存在的天然優(yōu)勢(如通常不會融合和重組,報告基因能夠穩(wěn)定存在并表達)外,還有可能是嫁接時多采用親緣關(guān)系較近的物種,從而在一定程度上避免了核質(zhì)不親和現(xiàn)象的發(fā)生[32,36]。

此外,對葉綠體水平基因轉(zhuǎn)移的研究中也存在一些有趣的報道。Heden?s等[83]分別在受石灰干擾的沼澤(代表初生演替棲息地)和天然沼澤(代表演替后期)中采集了大葉鐮刀蘚(Scorpidiumcossonii),并在前者的質(zhì)體中發(fā)現(xiàn)了來自擬三列真蘚(Bryumpseudotriquetrum)的rpl16片段,而后者質(zhì)體中不存在該片段,說明該轉(zhuǎn)移事件可能發(fā)生在近幾十年,即其自然棲息地受到嚴重干擾后的這段時期。這項研究為水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)生原因提供了新的思路,即水平基因轉(zhuǎn)移可能會在植物的生存環(huán)境受到劇烈改變時發(fā)生。

2.3 核基因轉(zhuǎn)移

細胞核是細胞遺傳以及各種生理活動的控制中心,它可以作為基因轉(zhuǎn)移的受體,在進化過程中整合許多其他物種以及細胞器的基因。比如,葉綠體和線粒體在進化中丟棄的一部分基因便通過內(nèi)共生轉(zhuǎn)移到了核基因組中[84]。鑒于細胞核對生命活動的主導(dǎo)作用,其基因組的變化必然會對植物產(chǎn)生更加深遠的影響。對植物間核基因的轉(zhuǎn)移多有研究[22,27,43,85],盡管大部分轉(zhuǎn)移的片段已失去作用或功能未知,但仍有一部分水平轉(zhuǎn)移的基因已被證明在受體植物中展示出了作用(表3)。

表3 植物間細胞核基因的水平轉(zhuǎn)移

水平基因轉(zhuǎn)移對植物光合作用機制的演變有著十分重要的作用。蕨類植物和C4植物都具有獨特的光合能力,它們分別能夠適應(yīng)弱光和提高CO2利用效率。Li等[86]發(fā)現(xiàn),蕨類通過水平轉(zhuǎn)移從角苔(Anthocerospunctatus)中獲得了紅/藍光嵌合光受體(neochrome)編碼基因,并因此獲得了在弱光下茁壯成長的能力,對其進化起到了非常重要的作用。同樣,Christin等[39]通過對禾本科毛穎草屬C4植物中編碼C4循環(huán)關(guān)鍵酶的基因ppc和pck進行分析后發(fā)現(xiàn),它們可能是通過多次水平轉(zhuǎn)移得到的。隨后的基因組測序證明了這一觀點,即毛穎草屬中不同植物的ppc是通過3次水平轉(zhuǎn)移分別獲得的,而pck則由它們的共同祖先獲得[87-88]。對這些基因的酶促反應(yīng)動力學實驗證明,與毛穎草屬中自然進化的ppc比,3個水平轉(zhuǎn)移的ppc基因催化效率都顯著提高,說明它們可能在C4光合途徑中發(fā)揮重要作用[89]。

除毛穎草屬外,有更多發(fā)生在禾本科的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象已被報道。禾本科植物中包含大量草本植物,它們多樣的生長方式,廣泛的地理分布以及豐富的基因組資源為水平基因轉(zhuǎn)移提供了良好的研究條件。研究發(fā)現(xiàn),羊茅從早熟禾屬中獲得了編碼胞質(zhì)磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(cytosolic phosphoglucose isomerase, PgiC)基因的一個額外拷貝,并與自身的PgiC基因一起,對其環(huán)境適應(yīng)性起到了作用[90]。常見作物中也存在著大量水平基因轉(zhuǎn)移。比如,Hibdige等[91]分別在玉米和小麥中檢索到了11和10個HGT事件,它們可能與作物的抗性有關(guān)。更加明確的例子是,小麥族的祖先通過水平轉(zhuǎn)移從黍亞科的祖先獲得古老的Bx生物合成基因簇(BGCs),并在不同染色體上分離成多個片段,通過復(fù)雜的進化過程得以保留,產(chǎn)生苯并噁唑嗪酮類化合物,在植物的抗性中起到了重要作用[92]。此外,種子植物間轉(zhuǎn)座子的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也是在禾本科中最先發(fā)現(xiàn)的,第一例報道是一個MULE轉(zhuǎn)座子在狗尾草屬和水稻間的序列相似性[40]。隨后對幾個谷類物種全基因組測序研究,發(fā)現(xiàn)了LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Route66可以在黍亞科的高粱屬(Sorghum)和稻屬(Oryza)的幾個物種之間轉(zhuǎn)移[93]。但是,不同家族轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移能力也不完全相同。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因,可能與部分轉(zhuǎn)座子進化出了減少依賴特定寄主的能力,或轉(zhuǎn)座子中間體的性質(zhì)有關(guān)[94]。禾本科中存在著許多重要的糧食作物,探究它們水平基因轉(zhuǎn)移發(fā)生的規(guī)模、頻率以及機制,可能會對這些作物的改良起到額外的幫助。

此外,微小原甲藻(Prorocentrumminimum)可能通過水平基因轉(zhuǎn)移或內(nèi)共生從藍藻中獲得了超氧化物歧化酶基因PmCuZnSOD,并在氧化應(yīng)激中發(fā)揮作用[95]。單子葉植物歐洲豬牙花(Erythroniumdenscanis)中含有來自雙子葉植物的核糖體DNA內(nèi)部間隔轉(zhuǎn)錄區(qū)(internal transcribed spacer, ITS)序列,證明雙子葉植物和單子葉植物之間也可以發(fā)生核基因的水平轉(zhuǎn)移[96]。而前文所述的寄生植物從寄主中獲得的功能性基因,也有許多是定位于細胞核中的[16,22-25]。這些研究說明,植物通過水平轉(zhuǎn)移獲得的核基因,能夠在各種生命活動中發(fā)揮重要的作用。

3 水平基因轉(zhuǎn)移在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用潛力

植物間的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象涉及細胞核、葉綠體和線粒體DNA。這些轉(zhuǎn)移往往是通過寄生、嫁接以及各種媒介來實現(xiàn)的,并且可能賦予植物體新的性狀(圖2)。大量研究表明,水平基因轉(zhuǎn)移不僅對生物進化有重要意義,而且有望應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供幫助。比如,農(nóng)桿菌(Agrobacterium)無疑是植物間水平基因轉(zhuǎn)移中最常用的載體,它擁有可以轉(zhuǎn)化并整合到植物基因組上的Ti或Ri質(zhì)粒,可以在自然狀態(tài)下感染大多數(shù)雙子葉植物。利用它的這個特點,人們創(chuàng)造性地開發(fā)了植物轉(zhuǎn)基因技術(shù),并廣泛用于科學研究。目前農(nóng)桿菌介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移在作物改良中多有應(yīng)用,相關(guān)綜述也層出不窮[97-99],因此本文不做重點闡述。由于植物間的水平基因轉(zhuǎn)移提供了物種之間基因交流的機會,這為農(nóng)作物性狀改良提供了一條新途徑,具有重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用潛力。

植物能夠通過寄生、嫁接以及媒介介導(dǎo)的方式,將線粒體、葉綠體和核基因組的DNA水平轉(zhuǎn)移到其他植物中。這些水平轉(zhuǎn)移的基因可能對受體的光合作用、寄生、抗性及育性等性狀產(chǎn)生影響。圖片創(chuàng)作自BioRender。Plants can transfer DNA of mitochondria, chloroplast and nuclear genomes to other plants through parasitism, grafting and vector mediation. These horizontally transferred genes may affect the photosynthesis, parasitism, resistance and fertility of receptor. The image was created with BioRender.com.

3.1 水平基因轉(zhuǎn)移與農(nóng)業(yè)雜草的防治

許多寄生植物都從寄主中獲得了大量水平轉(zhuǎn)移的基因,它們可能在其寄生性中起到重要的作用[16,18-19,23,25]。雖然目前對于這些轉(zhuǎn)移的基因并沒有進行直接的功能研究,但對于它們在寄生過程中的調(diào)控作用已有研究報道。作為一種農(nóng)業(yè)惡性雜草,菟絲子的寄生性及其防治受到了許多研究者的關(guān)注。Shahid等[100]的研究表明,原野菟絲子在寄生擬南芥和煙草的過程中,在吸器中積累了大量的miRNA,它們能夠靶向寄主編碼防御蛋白的mRNA并減少其積累,從而對寄生過程起到積極作用。鑒于菟絲子與其寄主間頻繁的基因交流,有一種可能是,這些跨物種作用的miRNA起源于通過水平轉(zhuǎn)移獲得的基因[101]。隨后的研究證明了這一點,即菟絲子中的部分miRNA序列與水平轉(zhuǎn)移的序列高度相似,說明這些序列可能在轉(zhuǎn)移之后進行了幾次突變和插入,最后產(chǎn)生了這些miRNA[25,102]。此外,Yang等[25]在研究中發(fā)現(xiàn),有18個菟絲子和列當科的水平轉(zhuǎn)移基因事件是從相同的基因家族獲得的,說明植物中水平轉(zhuǎn)移基因的保留可能具有非隨機性和趨同性。因此,探究寄生植物與寄主間的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,可能對寄生性雜草的防治具有普適意義。

3.2 嫁接介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移以及新種質(zhì)的創(chuàng)制

嫁接是一項傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù),最初用于多年生木本植物,后來被廣泛應(yīng)用于各種作物中,目前已經(jīng)擁有超過2 000年的歷史。與傳統(tǒng)雜交育種相比,嫁接能夠快速改良植株性狀,因此受到了生產(chǎn)者們的青睞。作為一種無性繁殖的方式,嫁接是一種栽培技術(shù)。然而,嫁接誘導(dǎo)的植物間的水平基因轉(zhuǎn)移,可以為農(nóng)作物新種質(zhì)的創(chuàng)制提供一種育種新方法。Lu等[82]通過嫁接,將含有蝦青素合成操縱子的葉綠體基因組從可以高效生產(chǎn)蝦青素的轉(zhuǎn)基因煙草(Nicotianatabacum)轉(zhuǎn)移到了難以進行質(zhì)體遺傳轉(zhuǎn)化的光煙草(Nicotianaglauca)中,并成功在光煙草中誘導(dǎo)了與轉(zhuǎn)基因煙草相似的類胡蘿卜素代謝變化。然而,這種方法仍需要傳統(tǒng)的嫁接手段,具有一定的物種局限性。因此,Sidorov等[103]創(chuàng)造性地開發(fā)出了一種“細胞嫁接”技術(shù),即將兩種不同物種的愈傷組織分別損傷后,再混合到一起進行培養(yǎng)。目前,已經(jīng)成功用這種方法實現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)基因煙草間細胞質(zhì)和細胞核基因組的交流,為作物改良提供了有力的工具。此外,Notaguchi等[104]發(fā)現(xiàn),在煙草中發(fā)現(xiàn)的β-1,4-葡聚糖酶能夠促進植物嫁接中細胞間的黏附,有利于遠緣物種間的嫁接。這些研究拓展了嫁接技術(shù)的利用范圍,為植物遠緣物種間的水平轉(zhuǎn)移奠定了基礎(chǔ)。

與轉(zhuǎn)基因育種相比,嫁接介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移同樣可能在新種質(zhì)創(chuàng)制中有獨特的優(yōu)勢。比如,許多科學家希望能夠在C3植物中完成C4途徑的改造,從而培養(yǎng)高產(chǎn)高效的作物。2017年,C4水稻項目(https://c4rice.com)的研究者們通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),初步實現(xiàn)了水稻葉片解剖學結(jié)構(gòu)向C4植物的改變[105]。隨后,他們將C4植物玉米光合途徑中5種酶的編碼基因組合到一起,并轉(zhuǎn)化至水稻中,實現(xiàn)了C4途徑的部分運行[106]。然而,總體來說,人工創(chuàng)制C4植物的探索進程是非常緩慢的。同時,鑒于目前對轉(zhuǎn)基因作物的應(yīng)用限制,這些改造作物能否被順利投放至市場,也是一個未知的問題。研究表明,毛穎草屬C4植物中C4途徑的兩個關(guān)鍵酶基因ppc和pck是通過水平基因轉(zhuǎn)移從其他C4植物中得到的[39]。與其自身進化出的相關(guān)功能性基因相比,這些酶的活性更高,說明水平基因轉(zhuǎn)移可能是毛穎草屬植物獲得C4光合能力的“捷徑”[89]。此外,水平基因轉(zhuǎn)移是不同物種間遺傳物質(zhì)的自然傳遞,與轉(zhuǎn)基因技術(shù)相比,其安全性更受研究者與大眾的認可。因此,如果選用合適的C3和C4植物,并利用嫁接技術(shù)進行水平基因轉(zhuǎn)移的誘導(dǎo),可能對于C4植物的人工創(chuàng)制有重要的推進作用。

但是,目前對于通過嫁接轉(zhuǎn)移的基因能否在受體植物及其后代中穩(wěn)定存在的問題,仍需進一步探究。有研究者發(fā)現(xiàn),通過嫁接轉(zhuǎn)移獲得的葉綠體和細胞核,能夠傳遞至有性繁殖產(chǎn)生的后代中[32,35],并有望通過基因組適應(yīng)和選擇后形成新種質(zhì)。但也有研究發(fā)現(xiàn),棉花嫁接后通過水平基因轉(zhuǎn)移獲得的遺傳物質(zhì),到第3代后便由于性狀分離而無法穩(wěn)定遺傳,說明通過水平轉(zhuǎn)移獲得的序列在多代遺傳后仍存在丟失的可能[107]。因此,用嫁接誘導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移,并實現(xiàn)新種質(zhì)的選育,還有更多的問題需要解決。

4 問題與展望

大量研究證明,水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象對植物進化研究和農(nóng)業(yè)應(yīng)用有著十分重要的意義。然而,由于技術(shù)的不足,對植物間水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的分析也受到了限制。這些限制主要集中在以下幾個方面:首先,現(xiàn)階段對植物DNA提取和組裝的過程中,很難排除細菌DNA的污染和避免這種污染對分析結(jié)果產(chǎn)生的影響;其次,目前分析常采用的BLAST和基因樹、物種樹結(jié)合的方法,只在親緣關(guān)系較遠的物種中比較準確。因此,通過目前的技術(shù)手段,較難判斷近期或親緣關(guān)系較近的物種間發(fā)生的水平基因轉(zhuǎn)移。除此之外,雖然人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的水平基因轉(zhuǎn)移事件,但我們對其發(fā)生的條件、發(fā)生過程以及轉(zhuǎn)移基因的偏好性等并沒有過多的了解。相信隨著測序技術(shù)和生物信息學的進一步發(fā)展,基因組組裝和系統(tǒng)發(fā)育分析的質(zhì)量必將越來越高,植物間的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象會得到更清晰的認知和更廣泛的應(yīng)用。

此外,目前對植物水平轉(zhuǎn)移的基因作用的研究也不夠深入。雖然研究者們已經(jīng)對部分轉(zhuǎn)移基因的功能進行了預(yù)測,并證明了一些外源基因能夠在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)錄,但是要想確認這些基因是否真正具有功能,還需要更多的證據(jù)?；蚬δ苎芯渴强茖W研究的一個重要方向,對于探究生物進化和基因的利用意義重大。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,對于植物間水平轉(zhuǎn)移的基因功能研究也必將更加深入。而對于轉(zhuǎn)移基因的功能挖掘,也會幫助我們更好地利用水平基因轉(zhuǎn)移。

當然,已經(jīng)有研究者對水平基因轉(zhuǎn)移的應(yīng)用提出了一些構(gòu)想。比如,有學者認為,將植物質(zhì)體工程與水平基因轉(zhuǎn)移技術(shù)相結(jié)合,將有助于天然營養(yǎng)化合物的生物合成[108]。但是,這些應(yīng)用中還存在著許多問題,例如,如何實現(xiàn)水平轉(zhuǎn)移基因的可控性,如何將水平轉(zhuǎn)移的基因固定到受體植物的基因組中并實現(xiàn)穩(wěn)定遺傳和表達等。而對這些問題的研究與攻克,也必將有助于人類對水平基因轉(zhuǎn)移技術(shù)的利用。相信隨著科學的發(fā)展,水平基因轉(zhuǎn)移必將受到越來越多的關(guān)注,成為生物基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)改良應(yīng)用的有力手段。

致謝：感謝浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院園藝系夏曉劍教授在本文的寫作與修改過程中提出的寶貴意見。