期刊：Cell
影響因子：66.85
發(fā)表時間：2022年8月
昆蟲起源于約4.8億年前，是地球上最繁盛的動物類群，已被描述種超過100萬，占所有動物物種50%以上。這個古老的動物類群在發(fā)育、行為、社會性、生態(tài)等方面展現(xiàn)出豐富的多樣性。水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal gene transfer，HGT）是指跨不同物種直接進行基因水平傳遞。那么，豐富多樣的昆蟲體內(nèi)存在多少HGT基因？昆蟲如何獲得“飛來”的外源基因？這些基因?qū)ハx生存具有什么生物學意義？1. 結(jié)合218個高質(zhì)量的昆蟲基因組以及HGT高通量篩選算法，鑒定到1410個HGT基因；
2. 內(nèi)含子獲得事件改變了HGT的適應性；
3. 蝴蝶和蛾均從李斯特菌Listeria中獲得同一個水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139；
4. HGT獲得基因增強鱗翅目動物雄性求偶行為。
1. 昆蟲體內(nèi)存在大量水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）
結(jié)合218個高質(zhì)量的昆蟲基因組以及HGT高通量篩選算法，研究者共鑒定到1410個HGT基因。其中，鱗翅目（蝴蝶和蛾）獲得16個HGT基因/物種，半翅目獲得13個HGT基因/物種，鞘翅目獲得6個HGT基因/物種，膜翅目獲得3個HGT基因/物種。通過使用BLAST和系統(tǒng)發(fā)育結(jié)合技術(shù)檢測，這1410個HGT獲得性基因可能來自670個假定供體物種。其中，79%的HGT基因是從細菌中獲得，13.8%是從真菌中獲得，2.6%是從病毒中獲得，3%是從植物中獲得，剩下1.6%的來源未知。圖3 水平基因轉(zhuǎn)移在218昆蟲中分布
2. HGT獲得基因內(nèi)含子的起源及HGT在昆蟲中的適應性在1410個HGT獲得的基因中，849個基因包含1534個內(nèi)含子?；诶ハxHGT基因和供體中的對應基因的比較基因組學研究，發(fā)現(xiàn)這1534個內(nèi)含子都是插入昆蟲基因組后獲得的。通過對內(nèi)含子的DNA序列進行了BLASTN搜索，發(fā)現(xiàn)這些內(nèi)含子都來自于昆蟲基因組，88%內(nèi)含子是富含重復的DNA序列，包括DNA轉(zhuǎn)座子、LTR轉(zhuǎn)座子(51.6%)和未分類重復。通過對假定的供體和受體基因組以及所有本地昆蟲基因中1410個HGT-獲得基因的基因結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)昆蟲的HGT-獲得基因長度顯著長于供體物種的相應基因，但顯著短于昆蟲的本地基因。進一步研究了HGT獲得基因在進化過程中的基因結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)基因長度、內(nèi)含子長度和內(nèi)含子數(shù)量隨進化時間明顯增加，而CDS長度隨進化時間沒有顯著變化。這些結(jié)果表明從本地昆蟲基因組中獲得的內(nèi)含子序列，使這些外源基因的長度增加到本地基因的平均長度，參與了昆蟲基因組中HGTs的適應。圖4 內(nèi)含子獲得事件改變了HGT的適應性3. 蝴蝶和蛾從李斯特菌中獲得增強求偶行為的水平轉(zhuǎn)移基因進一步分析發(fā)現(xiàn)蝴蝶和蛾均從李斯特菌中獲得同一個水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139。通過CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，研究人員把農(nóng)業(yè)害蟲小菜蛾體內(nèi)的LOC105383139進行敲除，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比較野生型小菜蛾，突變體小菜蛾后代數(shù)目少了約70%，但是突變體的生長發(fā)育（如體長、進食、運動、生殖器官等）均未受到影響。通過行為學實驗進一步驗證，發(fā)現(xiàn)突變體雄蟲對雌蟲的求偶欲望顯著地降低。說明蝴蝶和蛾HGT基因LOC105383139有助于增強雄蟲對雌蟲求偶行為。圖4 LOC105383139增強了鱗翅目動物的雄性求偶行為本研究結(jié)合218個高質(zhì)量的昆蟲基因組以及HGT高通量篩選算法鑒定到1410個HGT基因?；诶ハxHGT基因和供體中的對應基因的比較基因組學研究，發(fā)現(xiàn)HGT基因伴隨著昆蟲適應性演化。進一步分析，發(fā)現(xiàn)蝴蝶和蛾均從李斯特菌中獲得同一個水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139，基因敲除技術(shù)證明了該基因增強了鱗翅目動物的雄性求偶行為。本研究系統(tǒng)性地解析了昆蟲綱水平轉(zhuǎn)移基因，為昆蟲提供了高質(zhì)量的HGT基因資源庫，為昆蟲生物科學、農(nóng)業(yè)害蟲防治、以及昆蟲生物多樣性研究提供了開創(chuàng)性思路。閱讀原文
HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans. Cell, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014
