Asymmetric inter-kingdom gene transfer and a horizontal transposon invasion in a powdery mildew fungus
这项研究表明，近期植物与真菌之间的水平 DNA 转移较为罕见且具有强烈的非对称性——主要涉及从真菌到植物的基因流以及一次单一的从植物到真菌的转座子入侵——然而，这些获得的序列随后通过诸如重复、丢失和转座子扩增等机制，驱动了显著的基因组多样化。
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陆地生命的开端是一场静谧的伙伴关系。4.5亿多年前，第一批离开水域的植物并非孤军奋战；它们与真菌形成了亲密的联盟。这些微小的伙伴帮助早期的定居者在那个新世界的严酷、干燥条件下生存下来，通过以营养换取庇护所，建立了一种延续至今的关系。在漫长的地质年代中，这两个界限内的生物生活得如此之近，以至于它们的遗传物质偶尔会跨越界限。这种被称为“水平转移”的过程，就像是一场遗传贷款，即一个生物体从邻居那里获取一段DNA，而不是从父母那里继承。虽然科学家早已知道这种情况会发生，但他们一直难以观察到在像植物和真菌这样复杂的、多细胞生命体之间，这种现象发生的频率究竟有多高，以及那段借来的DNA在抵达后会发生什么。
一支研究团队现在通过扫描数百个物种的完整遗传蓝图，对这个问题进行了全新的审视。他们没有依赖现有的基因图谱（因为这些图谱可能会遗漏新的或异常的序列），而是将418种不同植物物种的原始DNA与1,081种真菌进行了对比。这种大规模、无偏见的搜索使他们能够捕捉到DNA从一个界跳跃到另一个界的近期实例。他们发现，虽然这类转移非常罕见，但并非随机发生的。遗传物质的流动是严重不对称的：植物比真菌更有可能接收来自真菌的DNA。此外，研究人员发现，一旦这段外源DNA降落在新的宿主中，它并不会仅仅在那里静止不动。根据接收它的特定植物或真菌家族，它可能会被复制、重塑、丢失，甚至发生数量上的爆炸式增长。
研究表明，在包括小麦和大麦在内的禾本科植物（Pooideae）中，真菌捐赠了若干基因，而这些植物保留并改良了它们。这些转移专门来自于一种被称为“壳菌”（Epichloë）的真菌类群，它们作为无害的内生真菌生活在禾本科植物体内。研究人员发现，这些禾本科植物不仅接受了这些基因，还对其进行了复制。其中一些借来的基因现在存在于单个植物体内的多个副本中，并且这些副本开始表现出不同的行为。例如，一个副本可能在根部保持活跃，而另一个副本可能处于沉默状态，或者它们通过交换内部组件改变了其结构。这表明禾本科植物正在积极地利用这种外源遗传物质进行实验，将其作为进化出新性状的原材料。相比之下，在苔藓等非维管植物中，情况则有所不同。当苔藓获得真菌基因时，它们倾向于将其作为单拷贝保留。然而，这些单拷贝是不稳定的；研究人员发现，在模式植物——小角苔（Marchantia polymorpha）的不同亚种中，有些个体保留了该基因，而另一些个体则将其完全丢失，显示出遗传景观仍在变化之中。
或许最令人惊讶的发现是一个罕见的逆向事件：一段植物DNA跳入了真菌之中。研究人员鉴定出一种特定的移动遗传元件——转座子，并将其命名为“Gnawa元件”。这个起源于植物的元件被发现整合到了番茄粉霉菌（一种攻击番茄的病原真菌）的基因组中。与那些进入真菌后便消失的植物基因不同，这个“植物入侵者”不仅存活了下来，而且茁壮成长。进入真菌后，Gnawa元件被唤醒并开始进行侵略性的自我复制。它不断增殖，直到在真菌基因组中散布着172个更小的衍生版本。这种大规模的扩张发生得非常近期，以至于这些副本彼此之间几乎完全相同。研究人员证实，这并非数据错误或来自番茄本身的污染，而是植物转座子接管真菌基因组的一个真实案例。
这些发现描绘了一幅动态但并不均衡的遗传信息交换图景。该研究排除了这类转移是普遍、广泛且在植物与真菌之间平等发生的观点。相反，它们似乎是与密切的生态关系（如禾本科植物与其内部真菌伙伴之间的共生关系）相关的、罕见且特定的事件。研究还阐明了转移DNA的命运并非千篇一律。在某些谱系中，DNA被保留并复制，从而可能提供新的功能；而在另一些谱系中，它是脆弱且易于丢失的。关于植物向真菌转移的Gnawa元件的发现，为这个故事增添了新的篇章，表明遗传物质的流动可以双向进行，并且当这种流动发生时，它可以触发受体基因组快速且剧烈的变化。这项工作强调，界限之间的界限并不像曾经认为的那样僵化，而陆地生命的进化史不仅书写在继承的基因中，也书写在它们借来的基因里。
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