给植物打造RNA武器的背后，是超级害虫的“偷师学艺”丨Cell封面
协同进化（Coevolution）一词，是在 1964 年由 Ehrhich 和 Raven 首次提出，用以阐述昆虫与植物进化历程中的相互关系。在植物进化出一系列的抗虫防御反应的同时，昆虫也在不停地进化出多种适应性策略以更好地攻击植物。
3 月 25 日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队在 Cell 杂志发表论文，揭示了：“超级害虫” 烟粉虱从植物解毒基因上 “偷师学艺”，在自身之中形成了类似的解毒基因，用以对抗植物产生的 “毒药”。
随后，研究人员还就新发现的分子原理对番茄进行了基因改造，利用 RNA 干扰技术靶向害虫体内那个至关重要的解毒基因，开发了新型绿色环保的抗虫技术。
值得一提的是，该论文是我国农业害虫研究领域的首篇 Cell 文章，也是同期 Cell 的封面文章。
图 | 烟粉虱挟持植物解毒基因（来源：Cell）
张友军团队从 2001 年起开始探索烟粉虱寄主适应性机制，经过了 20 年的不懈努力，首次发现了 “以子之矛，攻子之盾” 精妙的适应性进化，这也将为新一代靶标基因导向的精准绿色防控技术的研发提供全新思路。
烟粉虱 “偷师学艺” 抵抗植物毒素？科学家又是如何对症下药的？接下来就让我们来详细看看。
以子之矛，攻子之盾
4 亿年来，植物与植食性昆虫一直在斗智斗勇。面对植食性昆虫的威胁，植物们进化出了各种各样的自我保护机制，典型的便是分泌有毒物质对植食性昆虫进行杀伤。而在这之中，最常见的的有毒物质莫过于酚糖苷（Phenolic Glycosides）了。
酚糖苷，植物最丰富的次生代谢产物之一，其由与酚糖苷配基结合的糖单元组成。“毒药” 酚糖苷会影响昆虫的生长，发育和行为，是植物强有力的保护武器。
而在另一方面，酚糖苷并不会对植物自身造成损害，这是因为植物为自己创造了 “解药”—— 酚糖丙二酰基转移酶（Phenolic Glucoside Malonyltransferases, PMaT）。PMaT 能够将丙二酸辅酶 A 的丙二酰基转移到酚糖苷上，从而发挥重要的 “解毒” 作用。
不过，植物这次可算是碰上对手了，对于 “超级害虫” 烟粉虱（Whitefly，学名 Bemisia tabaci) ，这个 “毒药” 酚糖苷毫无用武之地。
烟粉虱，最具破坏力的农作物病虫害之一，被联合国粮农组织认定的世界第二大害虫，也是至今为止唯一被冠以 “超级害虫” 的农业害虫，其暴发流行于世界各地。目前，烟粉虱有 600 余种寄主植物，且它的大多数寄主植物都含有酚糖苷。
图丨烟粉虱（来源：Wiki）
而在张友军团队的研究中，烟粉虱因何不惧怕酚糖苷的原因，终于被研究人员所揭露了。
研究发现，烟粉虱之所能 “肆意妄为”，在烟粉虱基因组存在着一个基因：“BtPMaT1”，其具有丙二酰转移酶活性，能发挥解毒功能。进一步的研究还发现，这个 “解药” 基因的来源，原来还是从植物体内 “偷师学艺” 后 “仿制” 的。
从植物之中偷学来的？不用惊讶，让我们先看看研究人员是如何发现烟粉虱 “仿制” 植物 “解药” 基因的一个过程吧：
首先，研究人员发现：BtPMaT1 的同源基因仅存在于植物或少数真菌中，而无法在其他的节肢动物中找到同源基因。这也便是说，BtPMaT1 这个基因的原始来源是在植物或真菌中，而非害虫自身进化的结果。
其次，研究人员还在不同植物食性上的烟粉虱都发现 BtPMaT1 基因，并且发现该基因不仅在烟粉虱成虫的肠组织中有着表达，甚至在卵期的烟粉虱也发现了其表达水平。这一现象说明，BtPMaT1 基因在烟粉虱体内拥有遗传功能，并非其食用植物后的基因残留物。
多层面的实验分析证明了：烟粉虱的 BtPMaT1 基因是植物源的水平转移基因（Horizontal gene transfer），即植物的某些遗传物质水平转移到了害虫身上。
图 | 烟粉虱利用植物源 BtPMaT1 基因解毒酚糖苷的机制示意图 （来源：Cell）
“这似乎是功能基因从植物向昆虫水平转移第一个的例子。” 文章的另一位通讯作者泰德・特林思（Ted Turlings）教授说。
这意味着，原本只存在于植物或少数真菌身上能够发挥 “解毒” 功能的基因，被烟粉虱 “偷学” 走了，而且还形成了自己的 “解毒” 基因，一代代遗传了下来。也正是得益于这个基因，烟粉虱才能够绕开宿主的防御，大快朵颐。
“我们一直在问自己的一个问题是，这些昆虫是如何获得这些令人难以置信的适应能力来绕过植物的防御。这项研究，为我们至少揭示了其中的一个原因。”Turlings 教授补充说道。
靶向解毒基因的 “RNA 武器”
“道高一尺，魔高一丈”，研究人员开发了一种策略，一举破解了烟粉虱 “偷师学艺” 来的 “解药” 基因。
在揭示了烟粉虱解毒植物酚糖苷以获得寄主适应性的分子机制后，研究人员利用 RNA 干扰（RNA interference, RNAi）技术对番茄进行改造，构建了能表达特异性靶向 BtPMaT1 基因的双链 RNA 的转基因番茄品系。
在细胞内，这些双链 RNA 复合结构会被加工处理，形成小干扰 RNA（Small interfering RNA，siRNA），而在设计之中，这些 siRNA 只特异于烟粉虱 “解毒” 基因 BtPMaT1，而不会靶向植物内源的 “解毒” 基因。
而一旦烟粉虱取食了这些经过改造后的植物，那么在烟粉虱细胞内的 siRNA 就能发挥作用了：它们能够切割并降解 BtPMaT1 的 mRNA，使得 BtPMaT1 基因无法顺利表达成为蛋白质，从而令害虫丧失了解毒的能力。
图 | RNAi 的分子机制（来源：Wiki）
在植物的实验之中也证明了这一 RNA “武器” 的应用潜力：在饲喂转基因番茄 1 天后，烟粉虱体内的 BtPMaT1 基因表达水平开始降低，死亡率开始提高，随着时间的推移，这一效果也变得愈加显著。
此外，在现场模拟实验（field-simulated bioassay）中还发现：转基因番茄品系能够完全杀死烟粉虱，对非靶标昆虫（蚜虫和二斑叶螨）没有影响。
图 | 转基因番茄对各类昆虫的影响（来源：Cell）
这一研究结果，无疑为田间精准绿色防控技术的研发提供了新的思路。将来，通过对宿主植物到害虫的其他功能性水平转移基因的挖掘，科学家们有望找到理想的 RNAi 靶标基因，以靶标基因为导向进行精准打击。
此研究中的转基因，为控制害虫防治提供了有效的解决方案。感到欣喜的同时，作者也提出了一些不容忽视的问题。
基因改造对幼龄番茄植株的表型没有明显影响，但对更成熟植株和番茄产量的潜在影响还需更多研究才能确认。此外，虽然研究表明转基因番茄对蚜虫或螨虫没有显着影响，但在将其投入商业种植前，还需探索人为引入的 RNA 片段是否会影响其他生物。
“该技术的推广肯定仍有一些障碍需要克服，尤其是公众对转基因作物的怀疑态度，”Turlings 教授说，“但是在将来，我认为这是一个非常明确的控制烟粉虱的方法，因为现在我们知道其背后的机制，我们有能力处理潜在的问题。“
RNAi 将有害生物体内的重要基因作为靶标，通过阻断其转录过程而抑制蛋白质表达，导致有害生物的死亡。正因为此，它只针对特定靶标有害生物，对环境中其他非靶标生物非常安全。目前，在现实应用之中，RNAi 技术其实已经陆续应用在了一些新型作物的培育之中。
2017 年 6 月，首个利用 RNAi 技术的作物 —— 孟山都（现拜耳作物科学公司）开发的抗虫转基因玉米 SmartStax PRO 被美环保署批准。当玉米根虫取食作物时，作物产生的 DvSnf7 双链 RNA 能够干扰玉米根虫一个重要的基因，进而杀死害虫。
2021 年 1 月，该含有第三代玉米根虫抗性性状的玉米种子（MON 87411）已获得中国农业农村部颁发的转基因生物安全证书（进口和食品 / 饲料用途）。
图 | SmartStax PRO（来源：Bayor）
伴随学术研究的进展，有害生物的关键基因序列不断被发现， RNAi 的作用机理不断被揭示，以及 RNAi 生产成本和功效的改善，此新型生物农药将在害虫防治领域发挥越来越重要的作用。
基因编辑、合成生物学等新技术正向农业领域不断渗透，农业的下一次变革，已经悄然到来。
原文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00164-1?
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