Nature经典｜嫁接实现水平基因转移，创造新物种！

我们都知道，常规的基因垂直转移是从亲代到子代来垂直传递的。然而，科学家们也发现了水平基因转移现象，是指在具有生物繁殖隔离的不同物种之间，或单个细胞的叶绿体、线粒体等细胞器之间, 以及细胞器和细胞核之间所进行的DNA 片段的流动。发生基因交流的生物个体可以是亲缘关系较近的同属不同种之间的、也可以是亲缘关系较远的、 或没有亲缘关系的生物种之间，有的甚至跨越了界的限制。

在垂向的基因转移中，每一个新物种全部的基因材料都来自于一个共同单一的祖先。但在横向的基因转移中，新物种的基因材料可以来自它们的邻居，即一些不相关的其它物种。基因水平转移打破了亲缘关系的界限，使基因能够在不同的物种之间进行交换，并出现了新物种。

水平基因转移往往会产生异源多倍化（allopolyploidy）的现象。异源多倍体化是两个不同物种的基因组的组合，已成为进化创新的主要来源，也是物种形成和环境适应的驱动力，在野生植物和农作物（例如小麦、油菜籽和棉花）中都很常见。

比如，野生小麦叫“一粒小麦”，与自己的邻居禾本科野草—野生二倍体的拟山羊草发生了天然传粉杂交，杂种经过染色体自然加倍，产生可育的新物种，称为“二粒小麦”；它又与斯卑尔脱小麦（小麦属的又一个种）杂交，又产生另一种不可育的杂合植株，而后这种植株又染色体加倍，就产生了现在的小麦。

2014年，Nature杂志在线发表了德国科学院院士Ralph Bock教授的题为“Horizontalgenome transfer as an asexual path to the formation of new species”的研究论文，通过嫁接的手段，使两种烟草的核基因组植物细胞之间转移，不仅产生了新的烟草品种，而且新品种可以通过有性繁殖后代。该工作也揭示了一种创造新物种的新方法，即自然嫁接是一种潜在的无性物种形成机制，提供了一种产生新的异源多倍体作物物种的方法。

正文开始之前，一定要介绍一下Ralph Bock教授，他是国际著名植物分子生物学家，研究领域涵盖叶绿体生物学、RNA代谢、光合作用、进化学、生物技术和合成生物学、系统生物学，出色的工作使其享有重要的国际声誉和地位。2004年起担任德国马普分子植物生理所所长。德国科学院院士(Leopoldina)，欧洲分子生物学组织（EMBO）永久会员，全球“Highly Cited Researcher”（高引用科学家），2017年获得美国植物生物学家协会“马丁吉布斯奖”。SCI收录论文发表超过200篇，很多文章都是原创经典！

链接：https://www.mpimp-golm.mpg.de/10981/Ralph_Bock

在园艺领域，人们通过嫁接将两个品种的优点结合起来。两种嫁接植物之间并不存在遗传学物质的重组，但存在着一定的水平基因转移现象。Ralph Bock教授团队的先前研究表明，嫁接植物的接触区域存在着叶绿体基因的水平转移，但还不能确定是否存在着细胞核遗传信息的转移。

为了研究嫁接能够转移核DNA的可能性，研究人员将不同的抗生素抗性基因分别引入两种烟草，烟草Nicotiana tabacum携带卡那霉素抗性基因，烟草Nicotiana glauca携带潮霉素抗性基因hpt(1a)。然后，将两种烟草嫁接，在细胞融合发生之后，将两种烟草的接触区域取下来（1b），放在含有两种抗生素的培养基上培养，那么只有携带两种抗性基因的细胞才能够生存，令人惊讶的是，培养及中长出了许多具有双重抗性的小苗（NGT）(1c)。通过PCR检测，在三个双重抗性的独立株系中，分别检测到了两种抗性基因的表达（1d)。同时，对双重抗性烟草的表型进行了比较，发现与野生型幼苗相比，NGT幼苗的生长迟缓，叶片绿色色素沉着增强（1f)。且NGT植物可育并能产生种子。

图1 两种烟草植物的嫁接及双抗新烟草的筛选与鉴定

接下来，这种双重抗性是来自单个基因的转移，还是整个基因组的转移呢？嫁接的烟草N. glauca含有24条染色体，N. tabacum 含有48条染色体，研究人员对具有双重抗性的烟草进行了染色体数量的检测，发现新烟草的染色体的数量是可变的，很大一部分植物含有96条染色体，并通过流式细胞仪测量核DNA含量表明，双抗植物的基因组大小等于N. glauca和N. tabacum的基因组之和（2d)。

图2 物种之间的嫁接和核DNA在物种之间的水平转移

新烟草N. tabauca植物结合了其两个祖先物种的许多特征，例如腋生花色苷积累，以及烟草的较淡绿色叶片色素沉着（3a), 株高则表现出超亲现象(3a)。其他性状是属于中间型的，例如叶片形状和花形(3b) 等。染色体数72条，正好是两种烟草的染色体数之和（3c)。新烟草植物可育并产生可育后代（图3b），因此满足新物种的所有标准，研究人员将其视为一个新的物种，命名为Nicotiana tabauca。

图3 物种之间的嫁接和核DNA在物种之间的水平转移

为了深入了解转移机制，对几种独立产生的新烟草植物进行分析，研究了新烟草中的质体和线粒体基因组情况，有些植物含有N. glauca基因组，而另一些则含有烟草N. tabacum的质体基因组，但都不是异质的，因此认为细胞融合并不是其潜在的机制。

最后，作者认为，由于大多数现代农作物通过异源多倍体化而产生，通过嫁接介导的基因组转移产生新的异源多倍体物种的可能性为作物改良提供了一种新工具。尽管也可以使用原生质体融合技术通过合成方法实现基因组组合，但所涉及的程序在技术上要求很高，并且仅适用于有限数量的物种。在有可能进行杂交的情况下，也可以将两个物种的基因组进行性结合，但是除非其染色体组加倍，否则所得的杂种通常是不育的。最后，通过嫁接进行的基因组转移产生了质体和线粒体基因组的新组合，这一点很重要，因为细胞器的基因型会影响重要的农艺性状，包括生长和胁迫耐性。在水平基因组转移的基础上进行嫁接和筛选，可以帮人们创造出更高产更优良的新作物。

原文链接：https://www.nature.com/articles/nature13291