跳躍基因助植物征服陸地

◎ 林之森

說到基因轉(zhuǎn)移，我們首先想到的是遺傳。我們從父母那里繼承了基因，而父母又從他們的父母那里繼承了基因，逐代相傳。這種轉(zhuǎn)移是“垂直”的，即基因只從同一物種的一代轉(zhuǎn)移給下一代。

然而，這并不是事情的全部。有時(shí)基因轉(zhuǎn)移也可以發(fā)生在沒有任何親緣關(guān)系的不同物種之間。這叫水平基因轉(zhuǎn)移。這種情況在細(xì)菌中相當(dāng)常見。事實(shí)上，水平基因轉(zhuǎn)移正是耐藥性能在各種不同類型的細(xì)菌中間迅速蔓延的主要原因之一。

會(huì)跳躍的基因

支配垂直基因轉(zhuǎn)移的是遺傳規(guī)律，那么水平基因轉(zhuǎn)移是如何實(shí)現(xiàn)的？

原來，生物體上的基因不但會(huì)變異，有的還會(huì)跳躍：它們從染色體的一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置，或者從一條染色體跳到另一條染色體，甚至從一種生物體跳到別的生物體?？茖W(xué)家把這種基因叫作“跳躍基因”。

跳躍基因可不只是無所事事地到處跳躍。一般的基因好像是手拿配方生產(chǎn)蛋白質(zhì)的工人，而跳躍基因好像是這些基因的調(diào)度員，它們經(jīng)常會(huì)打開或關(guān)閉某些基因，甚至?xí)冻忠恍┗蚺c它們一起移動(dòng)，這樣會(huì)使染色體上的基因重新組合出新的基因，生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)，使生物體發(fā)展出新的能力。

水平基因轉(zhuǎn)移就是靠跳躍基因在不同個(gè)體之間的跳躍來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于細(xì)菌來說，這個(gè)過程我們基本上已經(jīng)弄清楚了。當(dāng)一個(gè)細(xì)菌與另外一個(gè)細(xì)菌相遇時(shí)，常常會(huì)伸出一根管子相互接通。通過這根管子，兩個(gè)細(xì)菌可以互相交換跳躍基因。

基因跳躍以病毒為媒介

直到不久前，水平基因轉(zhuǎn)移還被認(rèn)為只發(fā)生在細(xì)菌這樣的簡(jiǎn)單生物中，但現(xiàn)在有證據(jù)表明，它也可以發(fā)生在植物甚至動(dòng)物中間。例如，鯡魚和香魚，這兩類通常生活在大西洋和太平洋最北端的魚類，共享一個(gè)不可能通過正常遺傳渠道轉(zhuǎn)移的基因。此外，科學(xué)家在一種叫銀葉粉虱的動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)了——一個(gè)植物基因。

水平基因轉(zhuǎn)移是如何在植物和動(dòng)物中間實(shí)現(xiàn)的？因?yàn)橹参锖蛣?dòng)物是真核生物，細(xì)胞核有核膜的保護(hù)（細(xì)菌的細(xì)胞沒有核膜），基因不太可能直接從一個(gè)細(xì)胞跳到另一個(gè)細(xì)胞，更不用說從一個(gè)個(gè)體跳到另一個(gè)個(gè)體了。

目前普遍認(rèn)為，動(dòng)植物的水平基因轉(zhuǎn)移可能是以病毒為媒介來實(shí)現(xiàn)：病毒相當(dāng)于寄生的DNA 或RNA，有些病毒可以自由地進(jìn)出細(xì)胞核。跳躍基因可能附著在病毒身上，把病毒當(dāng)作“授粉的蜜蜂”，讓病毒把它從“一朵花”帶到“另一朵花”。

助植物由水生過渡到陸生

植物到陸地上生活是地球史上最重要的進(jìn)化事件之一。最早的陸生植物出現(xiàn)在大約5億年前的寒武紀(jì)時(shí)期，幾乎與海洋中的多細(xì)胞動(dòng)物同步出現(xiàn)。最近一項(xiàng)研究表明，正是水平基因轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)了植物從水生到陸生的進(jìn)化。

植物從水生到陸生，環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，其結(jié)構(gòu)當(dāng)然也要相應(yīng)地做出重大調(diào)整。譬如，環(huán)境變干燥了，水分的獲得和保持成了個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。還有，生活在水里的時(shí)候，水有浮力，哪怕植物自身軟塌塌，也不妨礙其生長(zhǎng)；到了陸地，浮力消失，植物得自己硬挺才行。

過去人們普遍認(rèn)為，這些特征是水生植物通過遺傳、變異，緩慢進(jìn)化來的，但是最近美國(guó)東卡羅來納大學(xué)的研究人員證明，這些特征是通過水平基因轉(zhuǎn)移從細(xì)菌、真菌和病毒那里獲得的。

為了調(diào)查這一點(diǎn)，研究人員分析了31 種植物的完整基因組，它們涵蓋了4 個(gè)主要的植物群：苔蘚類、蕨類、種子植物，以及與現(xiàn)代陸生植物最密切的綠藻。他們發(fā)現(xiàn)，植物中有593 個(gè)基因家族起源于真菌、細(xì)菌和病毒。

這些基因家族中，有許多對(duì)陸地生活起到關(guān)鍵的作用。例如，LEA2 基因家族幫助植物適應(yīng)更干燥的環(huán)境。果膠酶基因家族則與陸生植物的細(xì)胞壁形成有關(guān)（果膠是植物細(xì)胞壁的一種主要成分），而這種細(xì)胞壁為陸生植物的直立生長(zhǎng)提供支持。這兩個(gè)基因家族都來自細(xì)菌。另有一個(gè)可以讓植物從土壤中吸收氮肥的氨轉(zhuǎn)運(yùn)器基因家族則來自真菌。甚至負(fù)責(zé)含硫化合物（我們切洋蔥時(shí)感受到的刺激性物質(zhì)）的合成的基因也來自細(xì)菌。

與垂直的基因轉(zhuǎn)移（遺傳變異）相比，水平基因轉(zhuǎn)移可以讓一個(gè)物種迅速獲得在通常情況下需要數(shù)百萬年才能進(jìn)化出來的新性狀。所以，正是水平基因轉(zhuǎn)移使最早的陸生植物迅速適應(yīng)了新的陸地環(huán)境。

（王世全摘自《大科技·科學(xué)之謎》2023年第5 期 圖/槿喑）