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【以子之矛攻子之盾】菟絲子盜取宿主逾 100 個基因 製武器毀其防禦機制

2019/7/23 — 13:07

寄生植物菟絲子,圖片來源:維基百科

寄生植物菟絲子,圖片來源:維基百科

最新刊於《自然植物》的研究指,寄生植物菟絲子從宿主盜取逾 100 個有用基因,除了使自己更有效地吸收營份外,更將之利用作為武器反攻宿主的防禦機制。

遺傳物質由一種生物移動到另一個物種的情況被稱為「水平基因轉移 (horizontal gene transfer, HGT) 」,有參與研究的賓州州立大學生物學教授 Claude dePamphilis 指,這種轉移在微生物中相當普遍,亦是細菌獲得抗藥性的主要手段。不過,在如植物這些較複雜的生物,我們較少看到 HGT 的例子;即使有 HGT ,被轉移的基因通常都不會被使用。

寄生植物如菟絲子因為缺乏葉綠體 (chloroplast) 無法透過光合作用製造能量,因此需要以吸器 (haustorium) 穿透宿主植物吸取其水份及養份生長,而菟絲子則會包圍著宿主植物,然後穿透宿主的維管束組織 (vascular tissue) ,甚至同一時間吸收數棵植物的養份。由於菟絲子可寄生於多種不同野生及農業價值高的植物,因此對其的研究相當重要。

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賓州州立大學與維珍尼亞理工大學的聯合團隊利用基因表達的基因組規模數據,分析有多少透過 HGT 轉移的基因被菟絲子使用。團隊最終發現,不單有 108 個基因經 HGT 被加入到菟絲子的基因組中,而且菟絲子更可將之利用作改進吸器結構、防禦反應以及氨基酸代謝。其中一個盜取的基因更會製造小分子核糖核酸 (microRNA) 作為武器,傳回宿主植物令其防禦基因失效。

另外,團隊鑑定這些盜用基因是否具功能性,例如基因是否完整,含有所有必需部分,且可被轉錄至 RNA 排序再製造各種蛋白質等。 dePamphilis 指團隊將這些基因的排序,與有密切關係的物種進行對比,尋找特殊訊號來了解該排序是否演化成有作用,因為某些突變不會影響基因編碼的蛋白質,所以不影響基因的功能;當我們看到大量這類突變時,就可以證據天擇 (natural selection) 有助於保持蛋白質完整和對菟絲子有用。

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在 108 種發現的盜用基因中有 18 個出現在所有菟絲子屬植物中,表明這些基因早就被菟絲子祖先盜取,並傳到現代菟絲子上。這亦是首度有研究顯示, HGT 早在寄生物出現,團隊相信該 18 個基因有助菟絲子成為成功的寄生物種。除此之外,團隊又確定菟絲子基因組中有 42 個區域疑似來自 HGT ,但並無任何有功能基因存在。

dePamphilis 補充,如此大量的遺傳物質通過 HGT 而來,團隊懷疑菟絲子無法過濾所有進入體內的物質,但天擇有助於留住有用基因,並去除不太有用的部分。團隊目前正在調查遺傳物質如何從宿主轉移到寄生物上,他們也想探討 HGT 是否單向還是雙向。

來源:
Phys.org, Parasitic plants use stolen genes to make them better parasites, 22 July 2019

報告:
Yang, Z.Z., Wafula, E.K., Kim, G. & et al. (2019). Convergent horizontal gene transfer and cross-talk of mobile nucleic acids in parasitic plants. Nature Plants (2019). doi: 10.1038/s41477-019-0458-0

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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