昆蟲(chóng)的水平基因轉(zhuǎn)移研究

黃羽豪，龔森瑞，李浩森，龐 虹

(有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院/生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510275)

生物體的遺傳物質(zhì)大多數(shù)情況下是由親代到子代垂直傳遞的。然而，生物體中有的基因可能是從其它個(gè)體或線粒體、葉綠體等不同細(xì)胞器的遺傳物質(zhì)中獲得的，這種現(xiàn)象被稱為水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer, HGT)或橫向基因轉(zhuǎn)移(lateral gene transfer, LGT)，而這些不依賴親緣關(guān)系獲得的基因被稱為水平轉(zhuǎn)移基因(horizontally transferred genes, HTGs)。HGT可以發(fā)生在同種的不同生物個(gè)體或者單個(gè)細(xì)胞的不同細(xì)胞器之間，但由于檢測(cè)手段的限制和基因功能的探討意義等原因，物種間的HGT在研究中更為常見(jiàn)。

早在20世紀(jì)50-60年代，研究者發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)可以在不同菌種之間傳遞，如從大腸桿菌Escherichiacoli傳遞至沙門氏桿菌Salmonella(Miyake and Demerec, 1959; Zinder, 1960)，這是人們首次認(rèn)識(shí)到HGT現(xiàn)象在細(xì)菌進(jìn)化上的重要性，并能夠解釋抗藥性在菌群中的快速傳播。后續(xù)的大量研究發(fā)現(xiàn)，HGT在原核生物中十分常見(jiàn)，其促進(jìn)了新性狀的快速傳播，如抗生素耐藥性、致病性和其它各種有利于適應(yīng)周圍環(huán)境的代謝特性，同時(shí)也有許多HGT不帶功能或功能未明(Ochmanetal., 2000; Pallen and Wren, 2007)。

近年來(lái)，真核生物中的HGT也逐漸被發(fā)現(xiàn)，并被認(rèn)為是普遍存在于單細(xì)胞真核生物(Keeling and Palmer, 2008)、動(dòng)物(Hotoppetal., 2007; Gladyshevetal., 2008; Hotopp, 2011; Flotetal., 2013; Boto, 2014; Drezenetal., 2017; Sieberetal., 2017)、植物(Gaoetal., 2014; Wangetal., 2020)及真菌(Fitzpatrick, 2012)等類群中。在昆蟲(chóng)(Nakabachi, 2015; Wybouwetal., 2016; Zakharov, 2016)以及近源的蜱螨(Chouetal., 2015; Wybouwetal., 2016; Hayesetal., 2020)、蜈蚣 (Undheim and Jenner, 2021)和彈尾蟲(chóng)(Faddeeva-Vakhrushevaetal., 2016; Faddeeva-Vakhrushevaetal., 2017; Wuetal., 2017)等節(jié)肢動(dòng)物中也有大量HGT的報(bào)道。隨著對(duì)共生微生物研究的不斷深入，人們對(duì)宿主生物、共生微生物以及它們之間的聯(lián)系也有了全新的理解，生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)離不開(kāi)共生微生物的作用，甚至有觀點(diǎn)將宿主生物及其所有共生微生物作為一個(gè)整體的完全生物(holobionts)，并將這個(gè)整體的所有基因集合作為完全基因組(hologenomes)看待(Haag, 2018)；而HGT在這個(gè)共生系統(tǒng)中也扮演了重要的角色，是宿主生物和共生微生物聯(lián)系的紐帶之一。同時(shí)，HGT也更新了人們對(duì)于進(jìn)化的觀點(diǎn)，生命之網(wǎng)似乎比生物之樹(shù)更符合真實(shí)的進(jìn)化歷程(Soucyetal., 2015; Malletetal., 2016)。昆蟲(chóng)物種多樣性高，與微生物關(guān)系密切，昆蟲(chóng)體內(nèi)的HGT研究是近年的熱點(diǎn)之一。本文將從HGT研究的常用流程和方法、昆蟲(chóng)HGT的供體、HGT的受體昆蟲(chóng)以及昆蟲(chóng)HGT的功能4個(gè)方面進(jìn)行綜述，并提出現(xiàn)階段昆蟲(chóng)HGT研究的一些問(wèn)題以及未來(lái)展望。

1 水平基因轉(zhuǎn)移研究的常用流程和方法

HGT研究主要分為三大環(huán)節(jié)：搜索、驗(yàn)證以及功能探究(圖1)。搜索通常是基于序列同源性的組學(xué)數(shù)據(jù)的搜索；驗(yàn)證包含兩個(gè)方面，分別是系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的驗(yàn)證和內(nèi)含子、側(cè)翼序列、信號(hào)肽、不同數(shù)據(jù)及表達(dá)情況等污染排除的方面；功能探究則包括序列信息分析、選擇壓力分析等生物信息學(xué)探究和表達(dá)譜、功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)方面的探究。

圖1 后生動(dòng)物水平基因轉(zhuǎn)移研究的常用流程、方法及其作用Fig.1 Common processes and methods in research of horizontal gene transfer in Metazoa and their function

1.1 水平基因轉(zhuǎn)移的搜索

1.1.1后生動(dòng)物水平基因轉(zhuǎn)移的搜索方法

真核生物HGT的發(fā)現(xiàn)一般為基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等組學(xué)研究中基因注釋后的意外發(fā)現(xiàn)，也有專門對(duì)組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索得到的HGT。HGT的搜索主要是基于序列同源性的方法。許多研究會(huì)將NCBI的非冗余蛋白序列數(shù)據(jù)庫(kù)(Non-Redundant Protein Sequence Database, NR)、Swiss-Prot或基因組等數(shù)據(jù)庫(kù)分為后生動(dòng)物Metazoa類群數(shù)據(jù)庫(kù)和細(xì)菌、真菌、植物、病毒及其它非后生動(dòng)物的真核生物等其它類群數(shù)據(jù)庫(kù)，或者建立特定外群物種的子庫(kù)。為避免自身的序列或近源物種的序列造成干擾，后生動(dòng)物的數(shù)據(jù)庫(kù)通常還會(huì)去除自身或近源物種的序列，然后進(jìn)行BLAST (Camachoetal., 2009)搜索，再對(duì)后生動(dòng)物數(shù)據(jù)庫(kù)和其它數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)的比較以及后續(xù)的驗(yàn)證。在針對(duì)基因蛋白序列時(shí)有時(shí)也會(huì)使用DIAMOND (Buchfinketal., 2015)進(jìn)行搜索，而搜索基因組中的HGT片段有時(shí)會(huì)使用MUMmer (Marcaisetal., 2018)搜索。手動(dòng)比較通常是基于比對(duì)結(jié)果中的bitscore值、E值、一致度和覆蓋度等參數(shù)，判斷與后生動(dòng)物或其它類群的同源性大小，若與其它類群的基因比后生動(dòng)物更近源，則認(rèn)為是HGT。然而，手動(dòng)比較存在一定的主觀性，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題；另外，需要檢測(cè)的基因或基因組片段數(shù)以萬(wàn)計(jì)，手動(dòng)比較工作量較大。因此，水平基因轉(zhuǎn)移的搜索需要更為系統(tǒng)性、流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法。

目前，較為常用的流程化方法有4種：HGT指數(shù)h、外源指數(shù)(alien index, AI)、比對(duì)一致支

持度(Consensus Hit Support, CHS)和Wheeleretal.(2013)的檢測(cè)方法(表1)。h指數(shù)(Boschettietal., 2012)和外源指數(shù)(Gladyshevetal., 2008)分別是基于BLAST的bitscore值和E值計(jì)算的指標(biāo)，h指數(shù)是非后生動(dòng)物的物種序列數(shù)據(jù)庫(kù)最佳比對(duì)的bitscore值減去后生動(dòng)物庫(kù)最佳比對(duì)bitscore值的差，當(dāng)h≥30且bitscore≥100時(shí)認(rèn)為該基因是HGT；外源指數(shù)則表現(xiàn)為兩個(gè)最佳比對(duì)的E值的對(duì)數(shù)比較，當(dāng)≥45時(shí)認(rèn)為該基因?yàn)镠GT。Wheeleretal.(2013)的檢測(cè)方法同樣是以BLAST的E值作為指標(biāo)，僅以小于1e-5的E值的大小作為直接判斷，若細(xì)菌數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的E值比后生動(dòng)物數(shù)據(jù)庫(kù)的E值更小則作為HGT的候選。Wheeleretal.(2013)的方法較為簡(jiǎn)單，后面更是改良為滑動(dòng)窗口的方式搜索基因組的HGT片段，被用于光肩星天牛Anoplophoraglabripennis(McKennaetal., 2016)、煙盲蝽Nesidiocoristenuis(Fergusonetal., 2020)、乳草長(zhǎng)蝽Oncopeltusfasciatus(Panfilioetal., 2019)、西花薊馬Frankliniellaoccidentalis(Rotenbergetal., 2020)、溫帶臭蟲(chóng)Cimexlectularius(Benoitetal., 2016)、黑森癭蚊Mayetioladestructor(Zhaoetal., 2015)、茶翅蝽Halyomorphahalys(Sparksetal., 2020)、廄螯蠅Stomoxyscalcitrans(Olafsonetal., 2021)和一種寄生繭蜂Diachasmaalloeum(Tvedteetal., 2019)等許多基因組的HGT搜索中。CHS方法(Koutsovoulosetal., 2016)則基于DIAMOND搜索提供的物種來(lái)源信息，每條跟數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)上的序列會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的物種及其所屬階元，若90%以上的比對(duì)來(lái)源于細(xì)菌或其它非后生動(dòng)物類群，則認(rèn)為該基因可能是HGT的候選基因。

表1 后生動(dòng)物HGT搜索環(huán)節(jié)常用的工具和方法

基于外源指數(shù)開(kāi)發(fā)的Alienness網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(http://alienness.sophia.inra.fr)可以上傳用戶提供的NR數(shù)據(jù)庫(kù)搜索結(jié)果，計(jì)算外源指數(shù)和h指數(shù)，并根據(jù)外源指數(shù)AI和對(duì)非目標(biāo)類群的比對(duì)一致度的大小檢測(cè)出3類蛋白序列：AI>15且一致度<70%的候選HGT、00且一致度>70%的疑似污染(Rancureletal., 2017)。而且，該網(wǎng)站還可以排除指定的近源類群，防止近源類群HGT的影響，并能夠?qū)GT來(lái)源供體分為細(xì)菌、真菌、植物、病毒、古菌和不等鞭毛類Stramenopiles等默認(rèn)類群以及指定的類群。另外，該網(wǎng)站還在不斷完善本地化的AvP模塊，該模塊可以進(jìn)行本地化的計(jì)算、系統(tǒng)發(fā)育分析和供體類群的分類，更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)HGT基因，并可能在未來(lái)將AvP模塊內(nèi)置在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。

1.1.2細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移的搜索方法

在研究歷史更長(zhǎng)、更成熟的細(xì)菌HGT研究中，更多HGT搜索的方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)(表2)。

表2 HGT搜索方法的類型Table 2 Types of search methods for HGT

這些方法主要可以分為兩類：基于序列組成的參數(shù)方法和基于系統(tǒng)發(fā)育的方法(Ravenhalletal., 2015)。

基于序列組成的參數(shù)方法主要使用GC含量、密碼子使用偏好、基因結(jié)構(gòu)及寡核苷酸組成等參數(shù)判斷序列的外源性。最近開(kāi)發(fā)的DeepHGT軟件正是基于序列特征，使用深度殘差網(wǎng)絡(luò)(deep residual network)訓(xùn)練并識(shí)別HGT插入位點(diǎn)，但目前僅適用于細(xì)菌的基因組(Lietal., 2020)。而Arevaloetal.(2019)開(kāi)發(fā)的PopCOGenT方法則基于近期發(fā)生HGT的基因組之間比自然突變的基因組擁有更長(zhǎng)相同區(qū)域的原理，使用長(zhǎng)度分布模型估計(jì)出細(xì)菌基因組之間近期的HGT事件，并構(gòu)建出細(xì)菌的HGT網(wǎng)絡(luò)，將細(xì)菌分為不同功能的種群?jiǎn)卧?。基于序列組成的方法更有利于探索HGT機(jī)制的本質(zhì)，但會(huì)受基因組內(nèi)部的參數(shù)變化影響，且古老HGT由于長(zhǎng)時(shí)間跟隨基因組經(jīng)歷相同的進(jìn)化而被逐步同化，易造成識(shí)別不準(zhǔn)(Ravenhalletal., 2015)。

系統(tǒng)發(fā)育的方法則包括隱式和顯式兩大類型(Ravenhalletal., 2015)。隱式的系統(tǒng)發(fā)育方法主要是各類非進(jìn)化樹(shù)的聚類或同源性分析手段，包括最常用的基于序列同源性的BLAST搜索、基因和物種距離、同源基因分析及多態(tài)位點(diǎn)聚類等方法；而顯式系統(tǒng)發(fā)育方法則完全基于進(jìn)化樹(shù)，如使用Shimodaira-Hasegawa檢驗(yàn)(Shimodaira and Hasegawa, 1999)對(duì)物種樹(shù)和基因樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較等。但大多數(shù)顯式系統(tǒng)發(fā)育方法容易受基因復(fù)制丟失等其它進(jìn)化事件和系統(tǒng)發(fā)育不確定性的影響，物種樹(shù)和基因樹(shù)協(xié)調(diào)的方法被嘗試用來(lái)分離這些影響，用來(lái)分析物種在進(jìn)化過(guò)程中的HGT、基因漸滲、基因復(fù)制和基因丟失等進(jìn)化事件。這種方法在昆蟲(chóng)中也有零星的嘗試，如Chauveetal.(2018)對(duì)按蚊屬Anopheles基因組的分析。另外，顯式系統(tǒng)發(fā)育方法操作較為繁瑣，難以流程化(Ravenhalletal., 2015)。因此，研究中通常先使用同源性搜索尋找出候選的HGT，再將系統(tǒng)發(fā)育分析作為驗(yàn)證的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1.3水平基因轉(zhuǎn)移搜索方法的限制和注意事項(xiàng)

HGT的搜索方法大多只能用于搜索相對(duì)近期的HGT，古老的HGT由于序列組成趨同于受體的基因組，且數(shù)據(jù)庫(kù)中存在近源物種的同源基因，難以通過(guò)統(tǒng)一流程化的方法準(zhǔn)確搜索到，需要在搜索前對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一些近源物種的刪減，或在Alienness網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中排除對(duì)近源物種的考慮；也可以使用MEGAN (Husonetal., 2016)等軟件可視化同源搜索比對(duì)到的序列物種分布，人為做出判斷。

同時(shí)，基于同源性搜索的方法可能會(huì)因?yàn)榉呛笊鷦?dòng)物類群中偶然出現(xiàn)的同源序列(如后生動(dòng)物轉(zhuǎn)移到非后生動(dòng)物類群的HGT基因)而將檢測(cè)的基因判斷為HGT基因，或無(wú)法判斷HGT的方向，公用數(shù)據(jù)庫(kù)的物種序列缺失、物種序列污染以及序列信息錯(cuò)誤等因素也會(huì)影響HGT的檢測(cè)。

另外，搜索和檢測(cè)HGT的方法一般無(wú)法區(qū)分HGT和污染序列。而其它物種尤其是共生菌或腸道微生物的污染可能會(huì)體現(xiàn)在基因組的部分序列中；由于二代測(cè)序讀長(zhǎng)短，因此也容易發(fā)生拼接錯(cuò)誤導(dǎo)致的污染片段(Ku and Martin, 2016)。一種水熊蟲(chóng)Hypsibiusdujardini的HGT曾被認(rèn)為占全部基因總數(shù)的1/6，明顯多于其它物種，而后續(xù)的研究卻表明其HGT僅占1%～4%，引起了很大的爭(zhēng)議，這種分歧可能就是由嚴(yán)重的細(xì)菌序列污染造成的(Boothbyetal., 2015; Arakawa, 2016; Bemmetal., 2016; Delmont and Eren, 2016; Koutsovoulosetal., 2016; Yoshidaetal., 2017)。Ku and Martin (2016)認(rèn)為，真核蛋白與原核蛋白的一致度在70%以上時(shí)很可能是測(cè)序污染、組裝或者注釋等技術(shù)的問(wèn)題，并提出了70%原則防止HGT的誤判。因此，搜索出來(lái)的候選HGT還需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，防止污染序列的影響。

此外，HGT搜索前的基因組組裝、預(yù)測(cè)和注釋階段同樣可能給HGT的檢測(cè)帶來(lái)影響，例如寄生蜂Leptopilinaheterotoma的Lar基因?yàn)樘幱诹硪换騌RP8的長(zhǎng)內(nèi)含子內(nèi)的嵌套基因(nested gene)，昆蟲(chóng)基因組中也含有較多嵌套基因，然而，基因預(yù)測(cè)中常用的EVidenceModeler等軟件默認(rèn)情況下并不進(jìn)行嵌套基因的預(yù)測(cè)(Haasetal., 2008; Huangetal., 2021)，有可能造成HGT挖掘的不全面。

對(duì)于現(xiàn)階段的昆蟲(chóng)及其它后生動(dòng)物研究，HGT的搜索還無(wú)法做到準(zhǔn)確的認(rèn)定HGT事件及排除污染，只能以靈敏度為主，確定候選HGT的范圍，并交由系統(tǒng)發(fā)育分析進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證與認(rèn)定，以及使用多種手段排除污染的可能。

1.2 水平基因轉(zhuǎn)移的驗(yàn)證：系統(tǒng)發(fā)育分析與排除污染

為了驗(yàn)證HGT候選基因的進(jìn)化歷程和供體來(lái)源，進(jìn)一步確認(rèn)HGT事件，需要對(duì)候選基因及搜索到的同源基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)建，這在HGT研究中是定性的必要環(huán)節(jié)，但由于同源基因等序列資源配置較為繁瑣，通常在流程化的同源性搜索確定候選范圍后再進(jìn)行。系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系可以使用RAxML (Stamatakis, 2014)或IQ-TREE (Minhetal., 2020)等軟件構(gòu)建得到。隨后在構(gòu)建出的進(jìn)化樹(shù)中觀察基因的進(jìn)化歷程，若候選基因或候選基因集在進(jìn)化樹(shù)上被非近源物種的基因包圍，則這些基因可能是HGT基因，那些相鄰支系的物種可能是HGT的供體。

除此之外，昆蟲(chóng)及其他后生動(dòng)物的候選HGT還應(yīng)排除可能為污染的情況。首先，需要驗(yàn)證候選基因周圍的側(cè)翼基因或片段序列屬于真核生物，如利用基因組的注釋信息BLAST搜索周圍序列，還可以進(jìn)一步采用PCR方法或者高通量數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的原始序列驗(yàn)證基因的連接處。另外，不同個(gè)體、種群與物種的數(shù)據(jù)可以使用BLAST相互印證，排除某個(gè)數(shù)據(jù)的污染，也可以用PCR直接驗(yàn)證準(zhǔn)備好的生物樣品，這一過(guò)程可以說(shuō)明該基因在該物種或該類群的共同祖先出現(xiàn)前就已經(jīng)發(fā)生了HGT事件。真核基因的特征也可以用來(lái)輔助驗(yàn)證，比較常用的特征包括內(nèi)含子、信號(hào)肽、polyA位點(diǎn)和GC含量等。部分真核基因中含有內(nèi)含子，研究表明內(nèi)含子能夠增加基因的表達(dá)(Le Hiretal., 2003)，因此可以證明含有內(nèi)含子的基因來(lái)自真核生物，檢測(cè)HGT候選基因中是否存在內(nèi)含子，也是對(duì)基因結(jié)構(gòu)的描述，這一步可以通過(guò)基因組的注釋信息或PCR進(jìn)行驗(yàn)證。真核生物分泌系統(tǒng)的信號(hào)肽與原核生物不同，用SignalP (Armenterosetal., 2019)等軟件進(jìn)行真核信號(hào)肽的預(yù)測(cè)，若HGT候選基因含有信號(hào)肽，則可以證明該基因?yàn)檎婧嘶?，并且為分泌蛋白?？梢允褂棉D(zhuǎn)錄組或qRT-PCR等方法驗(yàn)證該基因是否表達(dá)，同時(shí)得到該基因的表達(dá)譜。如果表達(dá)，不但能較大程度排除污染的可能性，還可以說(shuō)明該基因在生物體中發(fā)揮了作用，通過(guò)表達(dá)譜也能推測(cè)該基因的作用。此外，轉(zhuǎn)錄本中的polyA位點(diǎn)也可以進(jìn)一步說(shuō)明該基因?yàn)檎婧嘶颉?/p>

1.3 水平基因轉(zhuǎn)移的功能探究：生物信息學(xué)與實(shí)驗(yàn)

HGT的功能探究通常可以分為生物信息學(xué)和實(shí)驗(yàn)兩方面的探究。生物信息學(xué)分析包括了信號(hào)肽、結(jié)構(gòu)域、同源性注釋、催化位點(diǎn)及蛋白結(jié)構(gòu)等序列信息的分析，除此之外，選擇壓力分析也是常見(jiàn)的分析之一。基因在進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷正選擇或負(fù)選擇說(shuō)明該基因在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，選擇壓力可以使用HyPhy (Pondetal., 2020)或PAML程序包的CODEML程序(Yang, 2007)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)方面，主要包括表達(dá)譜和功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組或qRT-PCR等手段獲取基因在各部位或各發(fā)育階段的時(shí)空表達(dá)譜以及不同實(shí)驗(yàn)處理的表達(dá)譜，不同情況下某一基因的表達(dá)上下調(diào)情況有利于間接推測(cè)該基因的作用。在表達(dá)譜和序列信息分析的基礎(chǔ)上，可以提出對(duì)基因功能的合理假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基因的功能，常用的實(shí)驗(yàn)手段包括RNA干擾、體外表達(dá)與底物實(shí)驗(yàn)等。

2 昆蟲(chóng)水平基因轉(zhuǎn)移的供體

HGT的供體是指提供基因的物種，即HGT基因的來(lái)源。HGT的供體通常是通過(guò)構(gòu)建基因的進(jìn)化樹(shù)推斷的，但由于數(shù)據(jù)庫(kù)的物種缺失、系統(tǒng)發(fā)育推斷的不確定性以及古老物種和現(xiàn)存物種的差異等，推測(cè)得出的HGT供體很可能并不是客觀的供體。Crispetal.(2015)通過(guò)HGT指數(shù)h的方法搜索了果蠅屬Drosophila的基因組，結(jié)果表明HGT主要來(lái)自細(xì)菌(26.5%)和原生動(dòng)物(46.5%)，也有來(lái)自植物(14.9%)、真菌(9.9%)和古菌(2.2%)的HGT。然而，從現(xiàn)有研究來(lái)看，昆蟲(chóng)HGT的供體以細(xì)菌為主，真菌、植物和病毒等類群也有一些報(bào)道，還有少量已報(bào)道的HGT來(lái)自原生動(dòng)物等其它類群(圖2，表3)。

HGT易發(fā)生在緊密聯(lián)系的生物之間，在自然界中昆蟲(chóng)與細(xì)菌廣泛接觸，關(guān)系密切，使得來(lái)自細(xì)菌的HGT數(shù)量在昆蟲(chóng)HGT總數(shù)中占比較高，胞內(nèi)共生菌、腸道微生物、昆蟲(chóng)病原細(xì)菌以及其它細(xì)菌都可能是昆蟲(chóng)HGT的供體。而許多已報(bào)道的HGT是通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育的方法推測(cè)來(lái)自細(xì)菌供體的，但由于發(fā)生時(shí)間久遠(yuǎn)，具體的供體物種或是否有中間供體(如噬菌體)已難以推測(cè)。來(lái)自細(xì)菌的HGT中，以沃爾巴克氏體Wolbachia為供體的HGT報(bào)道較為常見(jiàn)，沃爾巴克氏體是昆蟲(chóng)體內(nèi)廣泛存在的胞內(nèi)共生菌，能夠在昆蟲(chóng)中穩(wěn)定垂直傳遞給后代，也能在物種間水平傳播(Correa and Ballard, 2016)。早在2002年，Kondoetal.(2002)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)抗生素處理的綠豆象Callosobruchuschinensis的X染色體上存在沃爾巴克氏體的DNA片段，這些片段上面包含了沃爾巴克氏體的多個(gè)基因。而到了2007年，昆蟲(chóng)基因組上存在沃爾巴克氏體的片段才通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)證明。Hotoppetal.(2007)通過(guò)BLAST搜索，同時(shí)使用PCR驗(yàn)證側(cè)翼的連接處，并對(duì)不同種群、性別及物種數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，還驗(yàn)證了表達(dá)量與染色體定位等信息，確定了果蠅、寄生蜂和蚊子基因組上均存在沃爾巴克氏體的基因片段。隨后的研究在綠豆象和松墨天牛Monochamusalternatus體內(nèi)分別發(fā)現(xiàn)其基因組整合有沃爾巴克氏體基因組約30%和超過(guò)10%的片段(Nikohetal., 2008; Aikawaetal., 2009)。Klassonetal.(2009)發(fā)現(xiàn)伊蚊屬Aedes內(nèi)存在兩個(gè)相鄰的來(lái)源于沃爾巴克氏體的基因。Werrenetal.(2010)發(fā)現(xiàn)13個(gè)來(lái)自沃爾巴克氏體的錨蛋白重復(fù)痘蛋白基因水平轉(zhuǎn)移入金小蜂屬Nasonia的基因組中。隨后，來(lái)自沃爾巴克氏體的基因或基因組片段被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)存在于茶翅蝽(Ioannidisetal., 2014)、光肩星天牛(McKennaetal., 2016)、網(wǎng)蛺蝶Melitaeacinxia(Ahmedetal., 2016)、廄螯蠅(Olafsonetal., 2021)、粉虱Aleyrodidae (Renetal., 2020)、木虱Psyllidae (Sloanetal., 2014)、螞蟻Formicidae與沫蟬Cercopoidea(Dhaygudeetal., 2019)等物種的基因組中。除此之外，粉蚧Psudococcidae中許多營(yíng)養(yǎng)合成基因來(lái)自于其兼性腸道微生物和共生菌，如Tremblaya菌以及Tremblaya菌內(nèi)的Moranella菌等γ-變形桿菌(Husniketal., 2013; Husnik and McCutcheon, 2016)。而家蠶Bombyxmori及其它鱗翅目中22個(gè)HGT基因主要來(lái)自昆蟲(chóng)病原細(xì)菌，涉及糖基水解、氧化還原和氨基酸代謝等功能(Lietal., 2011)。來(lái)源于腸桿菌科Enterobacteriaceae等腸道微生物的HGT在鱗翅目(Sunetal., 2013; Wheeleretal., 2013)、鞘翅目(Keelingetal., 2013)和竹節(jié)蟲(chóng)目(Shelomietal., 2016)等昆蟲(chóng)中也有報(bào)道。

來(lái)自真菌的昆蟲(chóng)HGT主要是分解果膠的聚半乳糖醛酸酶GH28基因(部分)和分解纖維素的纖維素酶GH45基因。這兩種酶廣泛存在于包括米象Sitophilusoryzae(Shenetal., 2003)、光肩星天牛(McKennaetal., 2016)和桑角天牛Aprionajaponica(Pauchetetal., 2014)等在內(nèi)的植食性甲蟲(chóng)Phytophaga，能夠幫助甲蟲(chóng)消化植物細(xì)胞壁(Kirschetal., 2014; Buschetal., 2019; McKennaetal., 2019; Hazzourietal., 2020)。幫助紅棕象甲R(shí)hynchophorusferrugineus有效消化食物的糖苷水解酶GH16基因也可能來(lái)自真菌或細(xì)菌(Hazzourietal., 2020)。另外，蚜蟲(chóng)(Moran and Jarvik, 2010; Novakova and Moran, 2012)和癭蚊Cecidomyiidae (Cobbsetal., 2013)中的類胡蘿卜素合成基因被推斷來(lái)自真菌。煙粉虱Bemisiatabaci的基因組經(jīng)過(guò)HGT指數(shù)h的方法搜索出142個(gè)HGT基因，其中78個(gè)基因可能來(lái)自真菌(Chenetal., 2016)。來(lái)源真菌的HGT基因在家蠶(Wangetal., 2019)和寄生蜂(Martinsonetal., 2016)中也有報(bào)道。

來(lái)自植物的HGT除果蠅外，目前只發(fā)現(xiàn)存在于粉虱和家蠶中。Zhuetal.(2011)通過(guò)搜索家蠶的基因組，發(fā)現(xiàn)了10個(gè)HGT基因，包括1個(gè)來(lái)自植物的基因芳香開(kāi)環(huán)雙加氧酶LigB亞基和9個(gè)來(lái)自細(xì)菌的基因。Lapadulaetal.(2020)在煙粉虱和溫室白粉虱Trialeurodesvaporariorum中均發(fā)現(xiàn)2～3個(gè)來(lái)自植物的HGT基因核糖體失活蛋白基因RIP，而Xiaetal.(2021)則在煙粉虱中驗(yàn)證并探究了來(lái)自植物的酚苷丙二酰轉(zhuǎn)移酶BtPMaT1基因。

有報(bào)道表明，昆蟲(chóng)中的HGT可能是由噬菌體或繭蜂病毒等病毒介導(dǎo)的(Zakharov, 2016; Drezenetal., 2017)。目前通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系顯示是由病毒提供的HGT報(bào)道多見(jiàn)于鱗翅目中，如夜蛾屬Spodoptera中發(fā)現(xiàn)來(lái)自病毒的gasmin基因(Gasmietal., 2016; Di Lelioetal., 2019)和類繭蜂病毒凝集素Se-BLLs基因(Gasmietal., 2018)，其中棉貪夜蛾Spodopteralittoralis的gasmin基因可能來(lái)自寄生蜂的共生病毒(Di Lelioetal., 2019)。Chengetal.(2014)發(fā)現(xiàn)裸病毒Nudiviridae提供了32個(gè)核心基因轉(zhuǎn)移到宿主褐飛虱Nilaparvatalugens的基因組上。Morozovetal.(2017)則發(fā)現(xiàn)RNA病毒的解旋酶序列整合到了鱗翅目、半翅目、直翅目、膜翅目和蚊子等昆蟲(chóng)的轉(zhuǎn)座子中，可能有抑制轉(zhuǎn)錄后RNA沉默的作用。另外，果蠅(Versteretal., 2019)和黑森癭蚊(Zhaoetal., 2015)中也曾報(bào)道可能來(lái)自噬菌體的HGT。

少部分昆蟲(chóng)HGT來(lái)自原生動(dòng)物等非后生動(dòng)物的其它生物。東亞飛蝗Locustamigratoria(Haoetal., 2019)、果蠅(Crispetal., 2015)、寄生蜂(Huangetal., 2021)及鱗翅目昆蟲(chóng)(Sunetal., 2013)中均發(fā)現(xiàn)可能來(lái)自黏菌等原生生物的HGT基因。

昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)座子則被證實(shí)能夠在昆蟲(chóng)之間進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移，昆蟲(chóng)基因組中平均2.08%、最高24%的核苷酸是水平轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)座子，水平轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)座子在伊蚊屬基因組中占到7%，而在按蚊屬基因組僅占小部分，這些轉(zhuǎn)座子是影響昆蟲(chóng)基因組進(jìn)化的主要力量(Peccoudetal., 2017; de Melo and Wallau, 2020)。鱗翅目的轉(zhuǎn)座子水平轉(zhuǎn)移比其它昆蟲(chóng)和節(jié)肢動(dòng)物更多，而桿狀病毒經(jīng)常攻擊鱗翅目，在病毒感染過(guò)程中，蛾類DNA被整合到桿狀病毒基因組中，其中大多數(shù)是轉(zhuǎn)座元件，平均4.8%的病毒含有蛾類的DNA，說(shuō)明桿狀病毒是節(jié)肢動(dòng)物水平基因轉(zhuǎn)移潛在的重要媒介(Gilbertetal., 2016; Reissetal., 2019)。另外，HGT事件產(chǎn)生的基因也可能含有昆蟲(chóng)本身的基因片段，如存在于雙翅目、膜翅目和蟋蟀等昆蟲(chóng)的oskar基因，其LOTUS結(jié)構(gòu)域來(lái)自昆蟲(chóng)本身，而OSK結(jié)構(gòu)域來(lái)自細(xì)菌的類GDSL結(jié)構(gòu)域(Blondeletal., 2020)。

3 水平基因轉(zhuǎn)移的受體昆蟲(chóng)

HGT的受體指的是外源基因轉(zhuǎn)入的物種。從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，HGT在真核生物物種中是廣泛存在的(Hotoppetal., 2007; Crispetal., 2015)。但目前昆蟲(chóng)HGT的研究仍集中在部分昆蟲(chóng)，尤其是模式昆蟲(chóng)，主要包括半翅目、鱗翅目、鞘翅目、膜翅目和雙翅目等物種較多的類群，也有少部分其它類群的昆蟲(chóng)(圖2，表3)。

表3 近年報(bào)道的功能較明確的昆蟲(chóng)HGT經(jīng)典案例

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

圖2 現(xiàn)階段昆蟲(chóng)HGT研究中發(fā)現(xiàn)的供體和受體Fig.2 Donors and recipients of HGT in insects identified in the present researches注：圖中昆蟲(chóng)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系參考Misof et al. (2014)的研究結(jié)果，現(xiàn)存物種數(shù)參考Rainford et al. (2014)的數(shù)據(jù)。Note: The phylogenetic relationship of insects in the figure referred to the research results of Misof et al. (2014), and extant richness referred to the data of Rainford et al. (2014).

半翅目的HGT研究主要集中在胸喙亞目Sternorrhyncha。胸喙亞目昆蟲(chóng)與主要屬于γ-變形桿菌的共生菌組成密切的共生系統(tǒng)，如蚜蟲(chóng)和Buchnera菌(Nakabachietal., 2005; Nikoh and Nakabachi, 2009; Nikohetal., 2010; Richardsetal., 2010; Nakabachietal., 2014; Nicholsonetal., 2015)、粉蚧和Tremblaya/Moranella菌(Husniketal., 2013; Husnik and McCutcheon, 2016; Szaboetal., 2017; Bublitzetal., 2019)、粉虱和Portiera菌(Luanetal., 2015; Chenetal., 2016; Xieetal., 2018; Renetal., 2020; Renetal., 2021)以及木虱和Carsonella菌(Sloanetal., 2014)。這些研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲(chóng)含菌體細(xì)胞中細(xì)菌來(lái)源的HGT基因的表達(dá)能夠補(bǔ)全共生菌缺失的營(yíng)養(yǎng)和結(jié)構(gòu)合成通路。相似的共生機(jī)制在頭喙亞目Auchenorrhyncha的葉蟬Cicadellidae中也有發(fā)現(xiàn)(Maoetal., 2018; Mao and Bennett, 2020)。蟬的共生菌也缺乏完整的tRNA合成通路(Van Leuvenetal., 2019)，預(yù)示著這套共生機(jī)制可能在頭喙亞目甚至更廣的類群中也普遍存在。

此外，蚜蟲(chóng)中存在來(lái)自細(xì)菌的溶菌酶GH25基因 (Metcalfetal., 2014)和來(lái)自真菌的類胡蘿卜素合成基因(Moran and Jarvik, 2010; Novakova and Moran, 2012)，而粉虱中還檢測(cè)到RIP(Lapadulaetal., 2020)、BtPMaT1(Xiaetal., 2021)等植物基因和78個(gè)真菌基因(Chenetal., 2016)。褐飛虱(Chengetal., 2014)、茶翅蝽(Ioannidisetal., 2014; Sparksetal., 2020)、煙盲蝽(Fergusonetal., 2020)、乳草長(zhǎng)蝽(Panfilioetal., 2019)與溫帶臭蟲(chóng)(Benoitetal., 2016)等物種也有研究報(bào)道過(guò)HGT的存在。

在鱗翅目中，HGT研究最多的物種是模式生物的家蠶(Lietal., 2011; Sunetal., 2013; Wheeleretal., 2013; Wybouwetal., 2014; Wangetal., 2019)，也涉及棉貪夜蛾(Di Lelioetal., 2019)、甜菜夜蛾Spodopteraexigua(Gasmietal., 2016; Gasmietal., 2018)、煙草天蛾Manducasexta(Kanostetal., 2016)、菜粉蝶Pierisrapae(van Ohlenetal., 2016)、東方菜粉蝶Pieriscanidia(Subbarayanetal., 2016)和網(wǎng)蛺蝶(Ahmedetal., 2016)等物種。鱗翅目的HGT基因中不少與植物的消化和解毒有關(guān)，如糖苷水解酶GH31基因(Wheeleretal., 2013)、β-呋喃果糖苷酶GH32基因 (Daimonetal., 2008)、半胱氨酸合成酶(Wybouwetal., 2014; van Ohlenetal., 2016)及犬尿氨酸酶(Mengetal., 2009)等。

植食甲蟲(chóng)Phytophaga與以糖苷水解酶家族(glycoside hydrolases, GH)為主的內(nèi)源性植物細(xì)胞壁降解酶(plant cell wall degrading enzymes, PCWDEs)是鞘翅目HGT研究的熱點(diǎn)。在植食甲蟲(chóng)中普遍發(fā)現(xiàn)來(lái)自細(xì)菌或真菌的植物細(xì)胞壁降解酶或其它植物消化酶，這些HGT基因可能是植食甲蟲(chóng)在中生代多元化的關(guān)鍵(Shenetal., 2003; Pauchetetal., 2010; Acunaetal., 2012; Keelingetal., 2013; Pauchet and Heckel, 2013; Eyunetal., 2014; Kirschetal., 2014; Pauchetetal., 2014; Vegaetal., 2015; Kirschetal., 2016; McKennaetal., 2016; Buschetal., 2019; Kirschetal., 2019; McKennaetal., 2019)。另外，在綠豆象(Kondoetal., 2002; Nikohetal., 2008)和松墨天牛(Aikawaetal., 2009)中存在沃爾巴克氏體的多個(gè)基因；而在瓢蟲(chóng)亞科Coccinellinae中則存在支系特異的細(xì)菌細(xì)胞壁水解酶cwh基因(Lietal., 2021b)。

在膜翅目中，HGT研究以寄生蜂為代表。在Leptopilinaheterotoma、L.boulardi(Huangetal., 2021)、蠅蛹金小蜂Nasoniavitripennis(Werrenetal., 2010; Martinsonetal., 2016)、N.giraulti與N.longicornis(Werrenetal., 2010)及Diachasmaalloeum(Tvedteetal., 2019)等寄生蜂中均有HGT的報(bào)道。在螞蟻中也存在來(lái)自沃爾巴克氏體的DNA片段，包含轉(zhuǎn)座酶、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體和錨蛋白重復(fù)包含蛋白等83個(gè)基因(Dhaygudeetal., 2019)。

果蠅作為模式生物類群，被用于許多HGT搜索的研究，例如Crispetal.(2015)、Versteretal.(2019)、Hotoppetal.(2007)以及Emamehetal.(2016)等的研究。另外，在廄螯蠅的基因組中發(fā)現(xiàn)來(lái)自沃爾巴克氏體的3個(gè)片段，但未發(fā)現(xiàn)蛋白基因(Olafsonetal., 2021)。庫(kù)蚊與伊蚊 (Lapadulaetal., 2017)、癭蚊(Cobbsetal., 2013; Zhaoetal., 2015; Subramanyametal., 2021)等蚊類物種中也有發(fā)現(xiàn)毒素和植物消化等不同作用的HGT基因。值得注意的是，在許多其它類群研究中發(fā)現(xiàn)的一些HGT在庫(kù)蚊、伊蚊、按蚊和癭蚊等蚊類物種中也存在相似的基因，不同的是，其中一部分基因是通過(guò)另外獨(dú)立的HGT事件進(jìn)入的，如幾丁質(zhì)酶GH19基因 (Martinsonetal., 2016)、β-碳酸酐酶β-CA基因(Emamehetal., 2016)、RNA病毒的解旋酶(Morozovetal., 2017)及細(xì)胞壁水解酶cwh基因(Lietal., 2021b)等，HGT的頻繁發(fā)生可能與蚊類較為惡劣的生存環(huán)境有關(guān)。

在竹節(jié)蟲(chóng)及德國(guó)小蠊Blatellagermanica中也有內(nèi)源性植物消化酶的報(bào)道，包括聚半乳糖醛酸酶GH28等消化果膠的酶(Shelomietal., 2014; Shelomietal., 2016; Wuetal., 2016; Brandetal., 2018)。此外，東亞飛蝗(Haoetal., 2019)與西花薊馬(Rotenbergetal., 2020)等物種也報(bào)道了HGT的存在。

4 昆蟲(chóng)水平基因轉(zhuǎn)移的功能

4.1 “半路出家”——昆蟲(chóng)植食性的獲得：細(xì)胞壁降解、營(yíng)養(yǎng)吸收與解毒

早期研究普遍認(rèn)為，昆蟲(chóng)中缺乏植物細(xì)胞壁的消化酶，而共生微生物是昆蟲(chóng)“半路出家”的關(guān)鍵，可以幫助植物消化、解毒植物的毒素，而隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多昆蟲(chóng)HGT獲得的內(nèi)源性植物細(xì)胞壁降解酶、營(yíng)養(yǎng)吸收與解毒的基因被發(fā)現(xiàn)和研究(圖3)，這些基因?qū)ハx(chóng)適應(yīng)植食、“半路出家”有著重要的意義(Calderon-Cortesetal., 2012; Wybouwetal., 2016; Skidmore and Hansen, 2017; Masonetal., 2019; Tokuda, 2019)。

植物細(xì)胞壁降解酶除GH1和GH9來(lái)源于動(dòng)物祖先(Chang and Lai, 2018)外，一般來(lái)自細(xì)菌或真菌，大多屬于糖苷水解酶GH家族，包括分解果膠的碳水化合物酯酶CE8、多聚糖裂解酶PL4和GH28；分解蔗糖的GH32；分解半纖維素的GH5-2、GH5-8、GH5-10、GH5-12、GH10、GH11和分解纖維素的GH43、GH44、GH45、GH48等，這些酶主要集中報(bào)道于植食甲蟲(chóng)Phytophaga中，在許多植食性昆蟲(chóng)中也有記錄 (Calderon-Cortesetal., 2012; Pauchet and Heckel, 2013; McKennaetal., 2019)。Shenetal.(2003)在米象中發(fā)現(xiàn)了一種可能來(lái)自真菌的果膠消化酶——聚半乳糖醛酸酶GH28；Acunaetal.(2012)在咖啡果小蠹Hypothenemushampei的中腸分泌組中發(fā)現(xiàn)一種屬于GH5家族的酶——甘露聚糖酶HhMAN1，能夠水解咖啡豆中的半乳甘露聚糖，而其基因組中搜索得到10個(gè)HGT基因，包括2個(gè)木聚糖酶和2個(gè)甘露聚糖酶基因(Vegaetal., 2015)；在芥菜葉甲Phaedoncochleariae的基因組中，Pauchet and Heckel (2013)發(fā)現(xiàn)有編碼活性木聚糖酶GH11的基因存在；在山松甲蟲(chóng)Dendroctonusponderosae(Keelingetal., 2013)、白蠟窄吉丁Agrilusplanipennis(Zhaoetal., 2014)和甘蔗象甲Sphenophoruslevis(Pedezzietal., 2014)體內(nèi)則均發(fā)現(xiàn)了GH32家族的β-呋喃果糖苷酶scrB基因。在其他類群的植食性昆蟲(chóng)中也有相似的HGT細(xì)胞壁降解酶的研究，如竹節(jié)蟲(chóng)中來(lái)源于細(xì)菌的果膠酶基因在前中腸中大量表達(dá)，底物酶活性實(shí)驗(yàn)也證明其可以降解果膠和聚半乳糖醛酸，證明了這些果膠酶在竹節(jié)蟲(chóng)消化植物中的重要作用(Shelomietal., 2014; Shelomietal., 2016)；黑森癭蚊GH32家族的MdesGH32基因的蛋白則擁有菊粉酶和轉(zhuǎn)化酶活性，協(xié)助將植物細(xì)胞壁菊粉聚合物分解為單體，并將植物主要運(yùn)輸糖蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖，從而形成有利于黑森癭蚊寄生的富含營(yíng)養(yǎng)的組織(Subramanyametal., 2021)。在這些細(xì)胞壁降解酶與植食性昆蟲(chóng)聯(lián)系的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，越來(lái)越多的研究將這些細(xì)胞壁降解酶與植食性昆蟲(chóng)聯(lián)系成為一個(gè)整體，用大量數(shù)據(jù)去深入探究它們的作用。Buschetal.(2019)研究了植食甲蟲(chóng)纖維素酶GH45的作用，發(fā)現(xiàn)其能夠降解3種底物：無(wú)定形纖維素、木葡聚糖和葡甘露聚糖。Kirschetal.(2019)則以植食甲蟲(chóng)的GH28作為研究對(duì)象，探究了其中的假酶(pseudoenzymes)，也就是失去了果膠催化活性的酶，他們認(rèn)為這些假酶也是果膠消化途徑的一部分，假酶降低了能量轉(zhuǎn)化效率并延長(zhǎng)了甲蟲(chóng)的發(fā)育歷期，對(duì)消化過(guò)程的影響甚至超過(guò)了活性酶。McKennaetal.(2019)研究了鞘翅目昆蟲(chóng)的進(jìn)化歷史，以系統(tǒng)發(fā)育分析和比較基因組學(xué)為手段，發(fā)現(xiàn)不同支系的植食性甲蟲(chóng)在獲得大量消化細(xì)胞壁的HGT后往往開(kāi)始適應(yīng)性輻射進(jìn)化，占據(jù)了多樣的生態(tài)位。這些細(xì)胞壁降解酶在HGT發(fā)生后通常會(huì)經(jīng)歷基因的復(fù)制和擴(kuò)張以及亞功能化(Kirschetal., 2016; Brandetal., 2018; Kirschetal., 2019)。

促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收的基因包括糖類代謝、氨基酸合成、維生素合成和類胡蘿卜素合成等的基因。促進(jìn)糖類代謝的基因除消化細(xì)胞壁成分的降解酶外，還包括消化胼胝質(zhì)的GH16基因 (Hazzourietal., 2020)與糖苷水解酶GH31基因 (Lietal., 2011; Sunetal., 2013; Wheeleretal., 2013)等。氨基酸和維生素合成基因包括精氨琥珀酸裂解酶argH、分支酸變位酶CM及生物素合成酶bioB等許多基因，這些基因與半翅目胸喙亞目及其共生菌的共生系統(tǒng)有關(guān)(Luanetal., 2015; Wybouwetal., 2016)。而類胡蘿卜素合成基因最初發(fā)現(xiàn)于豌豆長(zhǎng)管蚜Acyrthosiphonpisum中，蚜蟲(chóng)基因組中發(fā)現(xiàn)了來(lái)自真菌的類胡蘿卜素去飽和酶和類胡蘿卜素環(huán)化酶/合成酶(Moran and Jarvik, 2010)。Novakova and Moran (2012)研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲(chóng)和球蚜中均存在這些基因，說(shuō)明HGT事件發(fā)生在這些類群的共同祖先出現(xiàn)之前。隨后，相似的基因在癭蚊中被發(fā)現(xiàn)，而這些基因可能是由不同的HGT事件進(jìn)入的(Cobbsetal., 2013)。另外，在其它節(jié)肢動(dòng)物的葉螨中，也有真菌源類胡蘿卜素合成基因的報(bào)道(Altinciceketal., 2012)。

植物在昆蟲(chóng)取食時(shí)會(huì)使用一些防御手段，如釋放氰化物等毒素，針對(duì)這個(gè)防御手段，昆蟲(chóng)通過(guò)HGT獲得能夠解毒的基因，從而沖破植物的防線達(dá)到取食植物的目的。存在于鱗翅目和柑橘粉蚧Planococcuscitri等昆蟲(chóng)的半胱氨酸合成酶CAS具有解毒植物氰化物的功能(Husniketal., 2013; Wybouwetal., 2014; van Ohlenetal., 2016)。家蠶中的β-呋喃果糖苷酶GH32具有解毒桑葉毒素的作用，犬尿氨酸酶同樣具有解毒植物毒素的作用(Daimonetal., 2008; Mengetal., 2009; Lietal., 2011; Zhuetal., 2011; Sunetal., 2013)。近日，Xiaetal.(2021)在煙粉虱中發(fā)現(xiàn)一個(gè)來(lái)自植物的近期HGT基因——酚苷丙二酰轉(zhuǎn)移酶BtPMaT1基因，經(jīng)過(guò)對(duì)番茄葉毒素的鑒定以及對(duì)煙粉虱的RNA干擾等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該基因可以中和解毒植物中的毒素酚苷，這很可能促進(jìn)了煙粉虱近期的食性擴(kuò)張。另外，對(duì)不同物種的RNA干擾結(jié)果還表明通過(guò)dsRNA的手段可以對(duì)煙粉虱進(jìn)行靶標(biāo)性的防治。

4.2 “難舍難分”的共生：營(yíng)養(yǎng)與結(jié)構(gòu)合成

胸喙亞目昆蟲(chóng)，包括蚜蟲(chóng)、粉蚧、粉虱和木虱等類群，體內(nèi)通常伴隨著一類基因組小于0.5 Mb、十分微小的共生菌，這些共生菌能為宿主昆蟲(chóng)提供植物汁液食物缺乏的必需氨基酸和維生素等營(yíng)養(yǎng)(Baumann, 2005; McCutcheon and Moran, 2012; Douglas, 2016)。近期的研究顯示，這些胸喙亞目昆蟲(chóng)中存在一種專門儲(chǔ)存共生菌的含菌體器官，其中的含菌體細(xì)胞能夠表達(dá)細(xì)菌來(lái)源的HGT基因，補(bǔ)全這類微小共生菌缺失的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或結(jié)構(gòu)合成環(huán)節(jié)，使得胸喙亞目昆蟲(chóng)與共生菌聯(lián)系緊密，難以分割(圖3)。

胸喙亞目昆蟲(chóng)共生體系的HGT基因最初發(fā)現(xiàn)于蚜蟲(chóng)中。Nakabachietal.(2005)在豌豆長(zhǎng)管蚜的含菌體中發(fā)現(xiàn)了兩條區(qū)別于共生菌Buchnera的轉(zhuǎn)錄本，其含有與細(xì)菌相似的基因。對(duì)這兩條轉(zhuǎn)錄本測(cè)序發(fā)現(xiàn)，這兩條轉(zhuǎn)錄本含有類似細(xì)菌的LD-羧肽酶ldcA基因和稀有脂蛋白rlpA基因，這兩個(gè)基因能夠參與合成細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分肽聚糖，而B(niǎo)uchnera菌正好缺失了這部分基因(Nikoh and Nakabachi, 2009)。Richardsetal.(2010)通過(guò)搜索豌豆長(zhǎng)管蚜的基因組發(fā)現(xiàn)了12個(gè)HGT基因，包括了3個(gè)ldcA和5個(gè)rlpA基因以及2個(gè)來(lái)自Buchnera菌的基因，其中7個(gè)基因在含菌體細(xì)胞中表達(dá)較高。Nakabachietal.(2014)在之后的研究中通過(guò)免疫化學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察到含菌體表達(dá)的rlpA4的蛋白被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入Buchnera菌的細(xì)胞中。而Nicholsonetal.(2015)在麥雙尾蚜Diuraphisnoxia的基因組中同樣發(fā)現(xiàn)來(lái)自細(xì)菌的ldcA和rlpA基因。

在粉蚧中，這種共生機(jī)制進(jìn)一步得到詮釋。Husniketal.(2013)在柑橘粉蚧的含菌體中尋找到22個(gè)轉(zhuǎn)錄的HGT基因，其中2個(gè)賴氨酸合成基因與5個(gè)維生素B合成基因能夠補(bǔ)全共生菌Tremblaya及其胞內(nèi)共生菌Moranella的必需氨基酸以及維生素合成通路，為粉蚧提供食物中缺乏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而另外9個(gè)肽聚糖合成相關(guān)基因與Moranella菌的細(xì)胞壁合成有關(guān)，為我們展示了粉蚧中復(fù)雜的三重共生體系。隨后，Husnik and McCutcheon (2016)調(diào)查了5種不同粉蚧物種內(nèi)的共生體系，發(fā)現(xiàn)這套HGT的機(jī)制穩(wěn)定存在于粉蚧、Tremblaya菌和γ-變形桿菌的共生體系中，其中較為古老的HGT主要與氨基酸和維生素B合成和代謝有關(guān)，而后期HGT主要與肽聚糖合成代謝有關(guān)。同樣，甘露粉蚧Trabutinamannipara中也發(fā)現(xiàn)了類似的共生體系和HGT機(jī)制(Szaboetal., 2017)。對(duì)于粉蚧中獲得的肽聚糖合成相關(guān)基因，Bublitzetal.(2019)做了進(jìn)一步的探究，揭示了粉蚧中的HGT與Moranella菌的基因共同協(xié)作合成Moranella菌外周的肽聚糖層，并通過(guò)免疫組織化學(xué)的手段發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)HGT基因MurF編碼的蛋白已經(jīng)進(jìn)入到Moranella菌的細(xì)胞質(zhì)。

在煙粉虱的研究中，Luanetal.(2015)同樣發(fā)現(xiàn)其存在8個(gè)HGT基因能夠補(bǔ)全共生的Portiera菌中缺失的賴氨酸/蘇氨酸、苯丙氨酸/色氨酸和精氨酸合成通路，另外2個(gè)HGT基因BioA、BioB在已有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增補(bǔ)共生的Hamiltonella菌生物素的合成。Chenetal.(2016)和Xieetal.(2018)測(cè)序得到的煙粉虱基因組也驗(yàn)證了這些HGT的存在。Renetal.(2020)進(jìn)一步探究了粉虱和Hamiltonella菌的維生素B7生物素合成途徑，發(fā)現(xiàn)粉虱體內(nèi)的HGT基因BioA、BioD及BioB能夠合成生物素，與Hamiltonella菌合成的生物素相互補(bǔ)充，提高粉虱存活率和繁殖率。隨后，粉虱中的維生素B5泛酸合成途徑也被研究。Renetal.(2021)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中的泛酸合成基因panB和panC在煙粉虱中融合成一個(gè)基因panBC，能夠補(bǔ)全Portiera菌的泛酸合成通路，提高粉虱的適應(yīng)性。

楊梅葉柄癭木虱Pachypsyllavenusta中也存在與共生菌互補(bǔ)的HGT基因，其中精氨琥珀酸裂解酶argH基因能夠補(bǔ)全共生的Carsonella菌的精氨酸合成通路，分支酸變位酶CM是苯丙氨酸合成的必要酶，另外還有維生素B2核黃素合成酶ribC基因等7個(gè)HGT基因(Sloanetal., 2014)。

胸喙亞目昆蟲(chóng)與胞內(nèi)共生菌這套“難舍難分”的協(xié)作共生機(jī)制似乎與線粒體、葉綠體等細(xì)胞器有很多相似的地方，可能為我們帶來(lái)細(xì)胞器初期演化的一些啟示。

4.3 以子之“矛”攻子之“盾”：抗菌與抗病毒

昆蟲(chóng)通過(guò)HGT能夠從細(xì)菌中奪取細(xì)菌細(xì)胞壁代謝的相關(guān)基因，從而用于降解細(xì)菌細(xì)胞壁，以達(dá)到抗菌的作用(圖3)。Hotopp and Estes (2014)認(rèn)為，這是真核生物在生物戰(zhàn)爭(zhēng)中反擊的利器。煙粉虱奪取植物基因BtPMaT1對(duì)付植物毒素也是類似的機(jī)制(Xiaetal., 2021)。以子之“矛”攻子之“盾”，堪稱為生物進(jìn)化中的智慧。

圖3 昆蟲(chóng)HGT的主要功能Fig.3 The main function of insect HGT注：(A)“半路出家”，昆蟲(chóng)通過(guò)HGT從細(xì)菌、真菌或植物中獲得與細(xì)胞壁降解、營(yíng)養(yǎng)吸收與解毒相關(guān)的基因，從而獲得植食性；(B)“難舍難分”的共生，胸喙亞目昆蟲(chóng)通過(guò)HGT從細(xì)菌中獲得部分營(yíng)養(yǎng)合成基因，與共生菌基因協(xié)作合成所需的營(yíng)養(yǎng)；(C)以子之“矛”攻子之“盾”，昆蟲(chóng)通過(guò)HGT從細(xì)菌中奪取抗菌作用的基因；(D)借“刀”殺“人”，昆蟲(chóng)從微生物或原生動(dòng)物中借來(lái)毒素或防御相關(guān)基因，在寄生蜂的寄生中發(fā)揮重要作用。Note: (A) Become a monk or nun late in life, insects acquired genes related to cell wall degradation, nutrient absorption and detoxification from bacteria, fungi or plants through HGT, thus acquiring herbivory; (B) Inseparable symbiosis, Sternorrhyncha insects acquired part of nutrient synthesis genes from bacteria through HGT, which can cooperate with genes in symbiosis bacteria to produce the required nutrients; (C) Turn somebody’s battery against himself, insects robbed antimicrobial genes from bacteriathrough HGT; (D) Borrow a knife to kill a man, insects borrowed toxins or defense-related genes from microorganisms or protozoans, which play an important role in parasitizing of parasitic wasps.

Lietal.(2021b)利用38種瓢蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及數(shù)個(gè)瓢蟲(chóng)基因組，鑒定出一組細(xì)菌細(xì)胞壁水解酶cwh基因，該基因在真核生物中十分罕見(jiàn)，但在包含大部分瓢蟲(chóng)科Coccinellidae物種的瓢蟲(chóng)亞科物種中均穩(wěn)定存在，而在物種較少的小維氏瓢蟲(chóng)亞科Microweiseinae中缺乏該基因。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析，證明該基因是來(lái)源于細(xì)菌的HGT，在進(jìn)入瓢蟲(chóng)亞科祖先后分化為兩支，分別是無(wú)信號(hào)肽的cwh1和包含信號(hào)肽的cwh2，cwh1在食性范圍較廣的瓢蟲(chóng)族Coccinellini的多個(gè)物種中發(fā)生了復(fù)制，表明了該基因?qū)κ承詳U(kuò)張可能有一定的貢獻(xiàn)。而時(shí)空表達(dá)譜表明，瓢蟲(chóng)各器官以及各發(fā)育階段的表達(dá)量相似，說(shuō)明這些基因在瓢蟲(chóng)體內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮作用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，感染枯草芽孢桿菌導(dǎo)致瓢蟲(chóng)體內(nèi)cwh基因表達(dá)上調(diào)，而且體外表達(dá)的蛋白能夠抑制細(xì)菌的增殖，經(jīng)過(guò)RNA干擾后，其它抗菌基因的表達(dá)量顯著下調(diào)，表明cwh基因在抗菌免疫防御中發(fā)揮作用。隨后，Lietal.(2021a)測(cè)序了生物防治天敵孟氏隱唇瓢蟲(chóng)Cryptolaemusmontrouzieri的高質(zhì)量基因組，并做了比較基因組學(xué)和不同食物處理的轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)cwh等免疫基因在取食人工飼料后相比天然獵物的粉蚧發(fā)生下調(diào)，揭示了免疫基因在瓢蟲(chóng)取食胸喙亞目昆蟲(chóng)的食性中發(fā)揮了重要作用。cwh基因在白堊紀(jì)晚期進(jìn)入瓢蟲(chóng)亞科祖先，可能在瓢蟲(chóng)的獵物適應(yīng)、生態(tài)位擴(kuò)張和物種輻射進(jìn)化中發(fā)揮了重要的作用(Lietal., 2021b)。

豌豆長(zhǎng)管蚜(Metcalfetal., 2014)和茶翅蝽(Ioannidisetal., 2014)的基因組中也存在從細(xì)菌搶奪而來(lái)的溶菌酶基因；煙盲蝽從Sodalis菌奪取了吩嗪合成蛋白的編碼基因，而吩嗪有抗菌的效果，這個(gè)HGT可能在煙盲蝽體內(nèi)發(fā)揮了抗菌的作用(Fergusonetal., 2020)；乳草長(zhǎng)蝽同樣存在與細(xì)胞壁代謝相關(guān)的HGT基因，可能有相同的抗菌作用(Panfilioetal., 2019)。在其它節(jié)肢動(dòng)物中也有類似功能的HGT，細(xì)菌來(lái)源的抗菌性HGT酰胺酶效應(yīng)器dae基因在蜱對(duì)抗皮膚細(xì)菌的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用(Chouetal., 2015; Hayesetal., 2020)。除此之外，甜菜夜蛾從多DNA病毒搶奪的gasmin基因能夠抑制桿狀病毒增殖(Gasmietal., 2016)；而夜蛾屬奪取病毒的類繭蜂病毒凝集素Se-BLLs基因以對(duì)抗體內(nèi)病毒(Gasmietal., 2018)。

然而，抗菌的HGT可能并不是從目標(biāo)類群奪取的，昆蟲(chóng)同樣不介意奪取其它類群物種的“矛”來(lái)攻擊細(xì)菌或真菌。棉貪夜蛾從寄生蜂共生病毒奪取的gasmin基因能夠參與免疫反應(yīng)，促進(jìn)血細(xì)胞吞噬細(xì)菌(Di Lelioetal., 2019)。家蠶與其它鱗翅目中來(lái)自真菌的4,5-多巴加雙氧酶BmDODA基因參與多巴代謝，并能夠促進(jìn)抗菌活性(Wangetal., 2019)。而家蠶中GH18家族的幾丁質(zhì)酶BmChi-h基因可能參與降解真菌的細(xì)胞壁，起到抗真菌的作用(Daimonetal., 2003)。

4.4 借“刀”殺“人”：毒素與防御

昆蟲(chóng)可以通過(guò)HGT從其它類群生物中借來(lái)一些與毒素和防御有關(guān)的基因，用來(lái)對(duì)付天敵或者獵物，達(dá)到借“刀”殺“人”的目的(圖3)。Huangetal.(2021)對(duì)廣寄生性的果蠅寄生蜂Leptopilinaheterotoma和專性寄生蜂L.boulardi進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的研究，在L.heterotoma中發(fā)現(xiàn)可能來(lái)自微生物或原生動(dòng)物的淋巴腺凋亡相關(guān)蛋白Lar基因，該蛋白能夠溶解果蠅的淋巴腺，從而主動(dòng)抑制果蠅的免疫反應(yīng)，達(dá)成該寄生蜂廣泛寄生的目的；而L.boulardi中存在來(lái)自共生菌的含有粘蛋白結(jié)合域的蜂卵粘附相關(guān)蛋白Warm基因，該蛋白能夠?qū)⒎渎颜掣皆谒拗鹘M織上逃避宿主免疫細(xì)胞的完全包裹，使孵化的寄生蜂幼蟲(chóng)能夠從粘附面逃出，而達(dá)成寄生專一宿主的功能。這些基因在獲得后均經(jīng)過(guò)復(fù)制和亞功能化，促進(jìn)了寄生蜂宿主范圍的轉(zhuǎn)移。蠅蛹金小蜂從真菌微孢子蟲(chóng)中獲得的幾丁質(zhì)酶GH19基因能夠上調(diào)宿主真菌保護(hù)基因的表達(dá)，操縱宿主的免疫系統(tǒng)，可能消耗宿主的能量并降低宿主營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量，從而作為毒素提高寄生的成功率(Martinsonetal., 2016)。東方菜粉蝶則存在細(xì)菌HGT基因——半胱天冬酶依賴的細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)蛋白pierisin-5基因，該基因能發(fā)揮細(xì)胞毒性的作用，促進(jìn)細(xì)胞的凋亡(Subbarayanetal., 2016)。在其它節(jié)肢動(dòng)物的蜈蚣中，至少有5個(gè)毒素基因來(lái)自細(xì)菌或真菌，而其中β-PFTx和centiPAD等多個(gè)毒素基因存在其它獨(dú)立轉(zhuǎn)移至鱗翅目、鞘翅目和膜翅目等類群中部分昆蟲(chóng)的HGT事件(Undheim and Jenner, 2021)。

此外，粉虱中從植物、蚊子從藍(lán)藻中分別獲得核糖體失活蛋白R(shí)IP基因，之前的研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因在果蠅中的共生螺原體Spiroplasma中具有防御線蟲(chóng)的作用，以此推測(cè)粉虱和蚊子中這些HGT也有相似的功能(Hamiltonetal., 2016; Lapadulaetal., 2017; Lapadulaetal., 2020)。果蠅從蚜蟲(chóng)共生菌CandidatusHamiltonelladefensa或其噬菌體獲得的細(xì)胞致死膨脹毒素cdtB基因可能也具有該共生菌防御寄生蜂的功能(Versteretal., 2019)。黑森癭蚊擁有來(lái)自噬菌體的YD毒素，同樣可能與寄生蜂防御有關(guān)(Zhaoetal., 2015)。

4.5 其它功能

昆蟲(chóng)中的HGT基因還存在許多其它的功能。鱗翅目中的犬尿氨酸酶(Mengetal., 2009; Lietal., 2011; Sunetal., 2013; Wheeleretal., 2013)、蚜蟲(chóng)和癭蚊的類胡蘿卜素合成基因(Moran and Jarvik, 2010; Novakova and Moran, 2012; Cobbsetal., 2013)除了植物營(yíng)養(yǎng)吸收外還可能與昆蟲(chóng)的身體色彩有關(guān)。在果蠅中存在的oskar基因則與神經(jīng)模式和卵子發(fā)生有關(guān)，在昆蟲(chóng)繁殖中發(fā)揮重要作用(Blondeletal., 2020)。蚊子和果蠅中的細(xì)菌源β-碳酸酐酶β-CA高效催化CO2的水合作用，參與包括呼吸、pH及CO2穩(wěn)態(tài)、生物合成與毒力調(diào)節(jié)等生理過(guò)程(Emamehetal., 2016)。東亞飛蝗的類黏菌蛋白激酶MPKL則有誘導(dǎo)光周期滯育的作用(Haoetal., 2019)。這些HGT基因往往幫助昆蟲(chóng)獲得了新性狀，從而獲得更適應(yīng)環(huán)境的能力。另外，還有大量搜索出來(lái)的HGT基因功能并未得到明確。

5 存在問(wèn)題與展望

昆蟲(chóng)HGT研究作為近年昆蟲(chóng)研究的熱點(diǎn)，為我們揭開(kāi)了昆蟲(chóng)適應(yīng)和進(jìn)化機(jī)制的一角。昆蟲(chóng)植食食性的獲得、營(yíng)養(yǎng)合成、昆蟲(chóng)免疫以及寄生蜂的寄生與宿主的防御等表型的改變或生理的過(guò)程，均與HGT有著密切的聯(lián)系。而且，無(wú)論是內(nèi)源性植物消化解毒酶、與共生菌協(xié)作合成氨基酸和維生素、捕食性瓢蟲(chóng)的免疫基因還是寄生蜂的宿主毒性，均與昆蟲(chóng)食性的適應(yīng)和擴(kuò)張有關(guān)，表明了HGT與昆蟲(chóng)食性之間千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。然而，在深入研究昆蟲(chóng)HGT之前，我們需要注意現(xiàn)階段研究中一些不足：

(1) HGT的搜索與驗(yàn)證缺乏一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)化的方法，且供體類群考慮不全面。目前HGT的搜索大多基于同源搜索的結(jié)果，再加以系統(tǒng)發(fā)育分析和真核序列的驗(yàn)證。但搜索階段容易受到數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量、其它物種污染和近源物種HGT等問(wèn)題的影響，缺乏一套系統(tǒng)化的方法，也容易造成搜索結(jié)果的缺失或誤判。目前較為常用的HGT指數(shù)h等的流程化方法較為簡(jiǎn)單，但還很難解決以上的問(wèn)題。另外，系統(tǒng)發(fā)育分析中可能會(huì)受到數(shù)據(jù)庫(kù)物種序列缺失或錯(cuò)誤以及系統(tǒng)發(fā)育不確定性等影響，無(wú)法準(zhǔn)確還原HGT的歷程，同時(shí)很難解釋獨(dú)立多次發(fā)生的古老HGT與基因復(fù)制丟失等其它進(jìn)化事件的區(qū)別。而真核序列驗(yàn)證過(guò)程較為繁瑣，也存在無(wú)法排除物種中穩(wěn)定且特異的胞內(nèi)共生菌或腸道微生物基因的可能性。研究中對(duì)供體的考慮大多受限于細(xì)菌，而對(duì)真菌、植物、病毒和原生動(dòng)物等類群的考慮較少，幾乎沒(méi)有古菌和其它后生動(dòng)物等其它類群的報(bào)道，這可能是因?yàn)椴《拘蛄胁环€(wěn)定，而真菌、植物等真核生物與昆蟲(chóng)較為近源，序列容易混淆造成誤判，造成研究者不愿考慮這些類群來(lái)源的HGT。Alienness網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器能較好的處理HGT搜索中流程化、近源物種HGT和多種類型供體等的問(wèn)題，但目前僅應(yīng)用于Undheim and Jenner (2021)等較少的研究中，且仍然存在需要人為定義近源類群、無(wú)法嚴(yán)謹(jǐn)排除污染、無(wú)法確定HGT方向、準(zhǔn)確性欠佳及后續(xù)還需要驗(yàn)證等不足。

HGT的序列片段或結(jié)構(gòu)域可能會(huì)重新參與組成新的基因，如與自身基因組成的oskar基因(Blondeletal., 2020)和互相融合而成的panBC基因(Renetal., 2021)。然而，目前HGT研究中仍以考慮整體基因?yàn)橹?，可能錯(cuò)過(guò)一些含有部分HGT片段的基因。以結(jié)構(gòu)域或基因片段為單位的HGT檢測(cè)方法可能會(huì)為我們帶來(lái)更全面的對(duì)HGT的認(rèn)識(shí)。

長(zhǎng)期來(lái)看，開(kāi)發(fā)一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)化方法是必要的。對(duì)于包括昆蟲(chóng)在內(nèi)的更加近源的后生動(dòng)物類群供體，尤其是天敵、獵物及競(jìng)爭(zhēng)物種等有密切關(guān)系的潛在供體，則需要開(kāi)發(fā)更加精準(zhǔn)的區(qū)分方法，基于序列組成的方法可能是一個(gè)突破口。

(2) 昆蟲(chóng)HGT研究的受體昆蟲(chóng)類群較為局限。HGT研究的受體昆蟲(chóng)集中于半翅目、鱗翅目、鞘翅目、膜翅目及雙翅目等類群，尤其是胸喙亞目、植食甲蟲(chóng)等類群和果蠅、蚊子、家蠶等模式生物，其他昆蟲(chóng)研究較少，包括物種較為豐富的毛翅目、直翅目等類群，半翅目和全變態(tài)類Holometabola以外的昆蟲(chóng)類群更是缺乏HGT的認(rèn)識(shí)。要完全揭開(kāi)HGT在昆蟲(chóng)中的神秘面紗，還需要在更多類群中進(jìn)行研究，將熱點(diǎn)普遍化。要探究HGT與食性的聯(lián)系，也不能僅關(guān)注植食性昆蟲(chóng)和寄生蜂，捕食性昆蟲(chóng)、腐食性昆蟲(chóng)以及菌食性昆蟲(chóng)也需要更深入的研究。

(3) HGT的功能驗(yàn)證較為困難，搜索出來(lái)的大量HGT并未明確功能。HGT的基因在進(jìn)入受體昆蟲(chóng)后往往跟隨昆蟲(chóng)基因組進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化，會(huì)發(fā)生復(fù)制、插入內(nèi)含子、添加信號(hào)肽和亞功能化等進(jìn)化事件，其具體功能與在細(xì)菌等供體中的時(shí)候產(chǎn)生了微妙的差別，尤其在個(gè)體層面，HGT基因?qū)w和受體的意義可能相差甚遠(yuǎn)。例如代謝酶和營(yíng)養(yǎng)合成基因，它們?cè)谖⒂^的代謝通路上功能可能是相似的，但個(gè)體獲取這些基因的意義往往很難有合理的假設(shè)，這就增加了這些基因功能驗(yàn)證的難度。這需要結(jié)合物種的進(jìn)化歷史、與近緣的非HGT受體的生物學(xué)特性比較、表達(dá)譜的探究以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南掠喂δ茯?yàn)證。而目前，還有許多搜索發(fā)現(xiàn)的HGT并未得到功能驗(yàn)證，如煙盲蝽中的吩嗪合成蛋白，可能與其抗菌免疫相關(guān) (Fergusonetal., 2020)，如果得到驗(yàn)證將是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)；而溫帶臭蟲(chóng)中的類patatin基因僅在雄性表達(dá)(Benoitetal., 2016)，該基因在生殖或性二型過(guò)程中的作用需要進(jìn)一步挖掘。另外，未發(fā)現(xiàn)表達(dá)的HGT基因以及基因組上的HGT片段，究竟是進(jìn)化過(guò)程中的偶然，還是具有潛在的功能，還需要進(jìn)行探索。

HGT的研究正處于持續(xù)拓展的階段，在技術(shù)方法上還需要有更多的突破，在類群的研究上也需要進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，而這些已發(fā)現(xiàn)的HGT也需要明確在新的生物體中的功能。相信在不久的將來(lái)，昆蟲(chóng)HGT的研究必然會(huì)為我們講述更多HGT與昆蟲(chóng)食性擴(kuò)張、適應(yīng)環(huán)境的精彩故事。