Cell：水平基因转移在昆虫中广泛存在，增强鳞翅目雄性昆虫求偶行为

期刊：Cell    

影响因子：66.85    

发表时间：2022年8月

一、研究背景

昆虫起源于约4.8亿年前，是地球上最繁盛的动物类群，已被描述种超过100万，占所有动物物种50%以上。这个古老的动物类群在发育、行为、社会性、生态等方面展现出丰富的多样性。水平基因转移（Horizontal gene transfer，HGT）是指跨不同物种直接进行基因水平传递。那么，丰富多样的昆虫体内存在多少HGT基因？昆虫如何获得“飞来”的外源基因？这些基因对昆虫生存具有什么生物学意义？

图1 昆虫中的基因水平转移

二、研究亮点

1. 结合218个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法，鉴定到1410个HGT基因；

2. 内含子获得事件改变了HGT的适应性；

3. 蝴蝶和蛾均从李斯特菌Listeria中获得同一个水平转移基因LOC105383139；

4. HGT获得基因增强鳞翅目动物雄性求偶行为。

三、研究思路

图2 研究思路

四、研究结果

1. 昆虫体内存在大量水平基因转移（HGT）

结合218个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法，研究者共鉴定到1410个HGT基因。其中，鳞翅目（蝴蝶和蛾）获得16个HGT基因/物种，半翅目获得13个HGT基因/物种，鞘翅目获得6个HGT基因/物种，膜翅目获得3个HGT基因/物种。

通过使用BLAST和系统发育结合技术检测，这1410个HGT获得性基因可能来自670个假定供体物种。其中，79%的HGT基因是从细菌中获得，13.8%是从真菌中获得，2.6%是从病毒中获得，3%是从植物中获得，剩下1.6%的来源未知。

图3 水平基因转移在218昆虫中分布

图4 670种假定供体物种的分布

2. HGT获得基因内含子的起源及HGT在昆虫中的适应性

在1410个HGT获得的基因中，849个基因包含1534个内含子。基于昆虫HGT基因和供体中的对应基因的比较基因组学研究，发现这1534个内含子都是插入昆虫基因组后获得的。通过对内含子的DNA序列进行了BLASTN搜索，发现这些内含子都来自于昆虫基因组，88%内含子是富含重复的DNA序列，包括DNA转座子、LTR转座子(51.6%)和未分类重复。

通过对假定的供体和受体基因组以及所有本地昆虫基因中1410个HGT-获得基因的基因结构进行分析，发现昆虫的HGT-获得基因长度显著长于供体物种的相应基因，但显著短于昆虫的本地基因。进一步研究了HGT获得基因在进化过程中的基因结构变化，发现基因长度、内含子长度和内含子数量随进化时间明显增加，而CDS长度随进化时间没有显著变化。这些结果表明从本地昆虫基因组中获得的内含子序列，使这些外源基因的长度增加到本地基因的平均长度，参与了昆虫基因组中HGTs的适应。

图4 内含子获得事件改变了HGT的适应性

3. 蝴蝶和蛾从李斯特菌中获得增强求偶行为的水平转移基因

进一步分析发现蝴蝶和蛾均从李斯特菌中获得同一个水平转移基因LOC105383139。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究人员把农业害虫小菜蛾体内的LOC105383139进行敲除，结果发现，相比较野生型小菜蛾，突变体小菜蛾后代数目少了约70%，但是突变体的生长发育（如体长、进食、运动、生殖器官等）均未受到影响。通过行为学实验进一步验证，发现突变体雄虫对雌虫的求偶欲望显著地降低。说明蝴蝶和蛾HGT基因LOC105383139有助于增强雄虫对雌虫求偶行为。

图4 LOC105383139增强了鳞翅目动物的雄性求偶行为

五、研究结论

本研究结合218个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法鉴定到1410个HGT基因。基于昆虫HGT基因和供体中的对应基因的比较基因组学研究，发现HGT基因伴随着昆虫适应性演化。进一步分析，发现蝴蝶和蛾均从李斯特菌中获得同一个水平转移基因LOC105383139，基因敲除技术证明了该基因增强了鳞翅目动物的雄性求偶行为。本研究系统性地解析了昆虫纲水平转移基因，为昆虫提供了高质量的HGT基因资源库，为昆虫生物科学、农业害虫防治、以及昆虫生物多样性研究提供了开创性思路。

阅读原文

HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans. Cell, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014