自然界中的转基因

日期: 2015年11月26日


    

 

自然界中,有一种原核微生物叫根瘤农秆菌,是天生的转基因高手,能将细菌基因转入高等植物中,打破了物种生殖隔离。你如果细心观察,会发现一个随处可见的自然现象,许多树干上鼓一个大包,科学家把这些鼓包称为冠瘿瘤,这就是根瘤农秆菌的杰作。农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后,将细菌T-DNA (生长素和细胞分裂素基因)插入到植物基因组中,诱导产生冠瘿瘤或发状根。

 

农杆菌是一种天然的植物病原菌,可以通过植物的创伤部位侵染植物,然后将自身的“转移DNA(T-DNA)”[transfer DNA (T-DNA)]转入并整合到植物的基因组中。转入的农杆菌T-DNA基因可以在植物体内转录表达,合成农杆菌所需的营养物质,并使植物长出肿瘤——“冠瘿瘤”(Crown gall)。科学家们正是利用农杆菌的这种特性,把农杆菌改造成了构建转基因作物的工具。

 

1甘薯—天然的转基因作物

 

PNAS发表的研究表明,甘薯(sweet potato,又称红薯,地瓜)是一种天然的转基因作物。在科学家研究的291个样品中,都发现了农杆菌T-DNA的序列。科学家认为在甘薯进化的过程 中,曾被农杆菌侵染,而且被转入的农杆菌T-DNA在后续的自然选择中保留了下来。

 

科学家利用DNA杂交(southern blot),定量PCR(quantitative PCR),染色体步移(genome walking),BAC库(bacterial artificial chromosome library)筛选和测序等方法分析了甘薯栽培种“Huachano”的291个样品。所有的检测样品都发现了农杆菌的序列,并发现其中4个基因与农杆菌Acs, C-prot, iaaH, and iaaM四个基因同源。这4个农杆菌同源的基因,在甘薯的茎,叶和块根中都有表达。不仅如此,这一段农杆菌DNA片段的插入,还破坏了甘薯自身一个F盒基因(F-box gene)的表达和正常功能。

 

人类种植甘薯的历史,可以追逐到8000-10000年前。研究结果证明,在甘薯的进化过程中,在农杆菌和甘薯祖先之间发生了水平基因转移 [Horizontal gene transfer (HGT)]。这些农杆菌基因的转入,可能影响了甘薯的性状,而自然选择又保留了这些性状。科学家认为这个发现证明了,在作物进化过程中,转基因可以自然的发生。

 

2、蝴蝶也是“转基因

 

来自法国巴伦西亚大学和图伦大学的研究小组发现,来自于寄生蜂的基因存在于许多种蝴蝶的基因组中。这些基因通过一种寄生蜂相关的病毒,从而水平转移到这些蝴蝶的基因组中。似乎这些来自寄生蜂的基因已经被蝴蝶基因组“驯化”,并可能被用来发挥作用,来保护蝴蝶抵抗他致病病毒。这些研究结果,发表在《PLoS Genetics》上。

 

这些研究结果表明,不同种类的蝴蝶(包括大红斑蝶),都是在进化的过程中存在着自然产生的转基因生物(GMO)。这一新奇发现,表明了自然界可能存 在着因为基因的水平转移而产生转基因生物。这种水平的基因转移可能突破生殖隔离,而借助第三种生物(如寄生蜂病毒)或者不借助第三种生物,而完成亲缘关系遥远的两种物种间的基因转移。这无疑再次拓宽了人们对于昆虫的认识。大自然又一次向人类展示了其无限的想象力。

 

为了繁育后代,绒茧蜂将自己的卵产在多种蝴蝶的幼虫(毛毛虫)体内,与此同时还会注入一种昆虫病毒(茧蜂病毒),来规避毛毛虫的免疫反应,保证产的 卵不会被毛毛虫的免疫系统当做外来物而清除掉。病毒能够整合到寄生毛毛虫基因组,进而控制毛毛虫的发育,使绒茧蜂的幼虫在寄主毛毛虫体内顺利长大。

 

科研人员们在一些蝴蝶和蛾子基因组内都检测到了病毒基因的存在。这些基因被认为能够帮助蝴蝶和蛾子来抵御一些病毒,似乎这些基因都被很好地驯化了。 而这些被驯化的基因,并不只限于病毒基因组,还有一些可能起源于寄生蜂。考虑到自然界存在着大量寄生蜂的种类,而且针对这些寄生蜂的病毒也有很多种类,因 此科学家认为,这种从蜂类到蝶类(或蛾类)的水平基因转移可能是相当常见和多样化的。

 

英国瑞丁大学的进化生物学家Louise Johnson博士是这样评论这个研究的,他说“这是一个非常有趣的研究。我们已经知道,病毒可以在物种之间移动宿主的基因。其实,我们也使用病毒的这种特性,来当做转基因技术。而且我们也知道,动物可能会从它们的寄生虫那获得某些基因。而在这个研究中,这种“三步走”的基因洗牌,则是一个特别清、聪明的例子:寄生蜂使用病毒来攻击蝴蝶,但这些病毒也允许蝴蝶获得来自寄生蜂的基因。很明显,这些被“窃取的基因”对于蝴蝶是有益的,所以自然发生的基因转移 帮助蝴蝶能够更好地生存下来。从我的角度来看,作为一个进化的生物学家,它也是一个完美的例子,这说明了进化充满了神奇,还有很多未知等待解答。

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