动植物如何窃取其他物种DNA,以加速进化历程?

北京时间4月30日消息,长期以来,动植物进化是科学领域的一个未解谜团,许多专家猜测它们会从其他物种窃取基因来加速进化过程。生物学家格雷戈·孟德尔从事多年生物基因研究,他在捷克布尔诺市修道院花园里进行了甜豌豆种植实验,为我们理解现代遗传学和遗传理论奠定了基础,他在19世纪获得的研究成果有助于科学家确定动物双亲将自己的遗传信息传递给后代。

动植物如何窃取其他物种DNA,以加速进化历程?

目前,他的最新研究表明,植物的基因来源并不简单,除了遗传之外,它们还可能从其他物种窃取基因,从而加速进化历程。

这个假设理论构成了我们对生物进化的理解基础,但我们现在知道,该过程并非“空穴来风”,一些种植最广泛的作物可能正在通过窃取基因悄然补充它们的基因,从而篡改整个生物系统,近日发表在《新植物学家杂志》的一项最新研究表明,生物窃取其他物种基因的现象是真实的,草本植物就是实例。

草类植物并非生物窃取其他物种基因的唯一罪魁祸首,在这方面,细菌是“主谋”,它们能够自由地从环境中吸收遗传信息,该过程被称为“横向基因转移”,并被认为在抗生素耐药性等特征传播中发挥了重要作用。

尽管科学家们最初认为这一过程仅限于细菌,但后期越来越多的动物和植物实验证实了它们也参与该过程,例如:蚜虫可以身体合成一种红色真菌色素来避免被捕食,蘑菇可以共享遗传指令来合成具有影响神经系统的化合物,白蝇可以利用宿主植物作为防御屏障。

神秘的基因转移

草本植物是最重要的生态和经济植物群,它们覆盖了全球陆地面积的20-40%,全球种植最广泛的几种草本植物包括水稻、玉米、小麦、甘蔗等,生物学家孟德尔的最新研究首次表明,横向基因转移在草本植物中广泛存在,并且在野生和栽培物种中都有发生。

孟德尔指出,我们的发现是基于基因分析研究,它将有助于我们追踪世界各地17种草本植物的基因组中每个基因的起源,正如预期的那样,绝大多数草本植物的基因与被发现的物种具有相同的进化历史,这表明它们是“代代相传”,然而,我们发现了100多个物种和基因的进化历史存在差异。

该结果表明,这些基因在被转移到受体的基因组之前,曾在另一种远亲草本物种中存在过。我们知道物种基因边界具有交叉渗透性,而物种杂交可能是密切相关的生物体之间繁衍的结果,杂交和横向基因转移最终会产生类似的效果,产生可能有利也可能不利于物种生存的新基因组合。

然而,横向基因转移不是一个生殖过程,因此它潜在连接生命进化树中更深层次的分支,促进遗传物质跨越更广泛的进化距离,在草本植物之间转移的基因具有与能量生产、耐受性和抗病相关的功能,这可能会让它们长得更大、更高和更强壮,从而赋予它们一定的进化优势。

在17种禾本科作物(包括玉米、谷子和小麦)中,有13种的基因组检测到外源DNA,最重要的问题是,这些基因是如何在物种之间转移的?事实上,我们并不知道,可能永远不会确定这些基因的转移情况,因为有几个潜在的机制,而且可能涉及不止一个。

毕竟物种进化是发生在数千年甚至数百万年前的事情,但是,在当前根茎草本物种中,转移基因的物种数量有了显著的增长,根茎结构是植物一种不断进化的结果,可使植物无性繁殖(根茎作为植物的一部分可用于生成新的植株)。DNA转移到根茎可通过地下植物物种之间的直接接触实现,也可能通过根茎融合形成,有趣的是,近期科学家观察到DNA在烟草植株之间转移。

当植物进行无性繁殖时,任何转移至根茎的外来DNA都会在它们子代所有细胞中复制,随后这些外来DNA会进入遗传细胞系统(将其遗传物质传递给后代的细胞),并在子代植株开花和产生种子的时候逐代遗传下来。

转基因争议

这项最新研究结果表明,草本植物已对自身进行了基因改造,这是否是支持或者反对转基因植物进化理论的有效证据,取决于人们对该转基因争议的主观意识。

如果草本植物能很自然地进化——窃取其他物种的DNA,那么我们为什么不能对植物进行转基因培育呢?这项研究表明,基因可以在草本物种之间自由转移,不论它们的亲缘关系有多密切,因此,任何插入转基因草本植物的基因最终都可能进入“野生”草本物种,产生所谓的“超级杂草”。

最终,如果我们能确定横向基因转移是如何在草本植物中发生的,我们就可以利用该过程,从而能自然地改造农作物,使它们更能抵御气候变化产生的影响。


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