跳躍基因助植物征服陸地

◎ 林之森

說到基因轉移，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。這種轉移是“垂直”的，即基因只從同一物種的一代轉移給下一代。

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

會跳躍的基因

支配垂直基因轉移的是遺傳規律，那么水平基因轉移是如何實現的？

原來，生物體上的基因不但會變異，有的還會跳躍：它們從染色體的一個位置跳到另一個位置，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。科學家把這種基因叫作“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蛋白質的工人，而跳躍基因好像是這些基因的調度員，它們經常會打開或關閉某些基因，甚至會挾持一些基因與它們一起移動，這樣會使染色體上的基因重新組合出新的基因，生產新的蛋白質，使生物體發展出新的能力。

水平基因轉移就是靠跳躍基因在不同個體之間的跳躍來實現的。對于細菌來說，這個過程我們基本上已經弄清楚了。當一個細菌與另外一個細菌相遇時，常常會伸出一根管子相互接通。通過這根管子，兩個細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，水平基因轉移還被認為只發生在細菌這樣的簡單生物中，但現在有證據表明，它也可以發生在植物甚至動物中間。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，共享一個不可能通過正常遺傳渠道轉移的基因。此外，科學家在一種叫銀葉粉虱的動物身上發現了——一個植物基因。

水平基因轉移是如何在植物和動物中間實現的？因為植物和動物是真核生物，細胞核有核膜的保護（細菌的細胞沒有核膜），基因不太可能直接從一個細胞跳到另一個細胞，更不用說從一個個體跳到另一個個體了。

目前普遍認為，動植物的水平基因轉移可能是以病毒為媒介來實現：病毒相當于寄生的DNA 或RNA，有些病毒可以自由地進出細胞核。跳躍基因可能附著在病毒身上，把病毒當作“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化事件之一。最早的陸生植物出現在大約5億年前的寒武紀時期，幾乎與海洋中的多細胞動物同步出現。最近一項研究表明，正是水平基因轉移驅動了植物從水生到陸生的進化。

植物從水生到陸生，環境發生了巨大的變化，其結構當然也要相應地做出重大調整。譬如，環境變干燥了，水分的獲得和保持成了個巨大的挑戰。還有，生活在水里的時候，水有浮力，哪怕植物自身軟塌塌，也不妨礙其生長；到了陸地，浮力消失，植物得自己硬挺才行。

過去人們普遍認為，這些特征是水生植物通過遺傳、變異，緩慢進化來的，但是最近美國東卡羅來納大學的研究人員證明，這些特征是通過水平基因轉移從細菌、真菌和病毒那里獲得的。

為了調查這一點，研究人員分析了31 種植物的完整基因組，它們涵蓋了4 個主要的植物群：苔蘚類、蕨類、種子植物，以及與現代陸生植物最密切的綠藻。他們發現，植物中有593 個基因家族起源于真菌、細菌和病毒。

這些基因家族中，有許多對陸地生活起到關鍵的作用。例如，LEA2 基因家族幫助植物適應更干燥的環境。果膠酶基因家族則與陸生植物的細胞壁形成有關（果膠是植物細胞壁的一種主要成分），而這種細胞壁為陸生植物的直立生長提供支持。這兩個基因家族都來自細菌。另有一個可以讓植物從土壤中吸收氮肥的氨轉運器基因家族則來自真菌。甚至負責含硫化合物（我們切洋蔥時感受到的刺激性物質）的合成的基因也來自細菌。

與垂直的基因轉移（遺傳變異）相比，水平基因轉移可以讓一個物種迅速獲得在通常情況下需要數百萬年才能進化出來的新性狀。所以，正是水平基因轉移使最早的陸生植物迅速適應了新的陸地環境。

（王世全摘自《大科技·科學之謎》2023年第5 期 圖/槿喑）