近日，国际著名期刊《Molecular Biology and Evolution》在线发表了浙江大学动物科学学院王华兵课题组的最新研究成果“Horizontal gene transfer and gene duplication of β-fructofuranosidase confer lepidopteran insects metabolic benefits”，解析了鳞翅目昆虫β-呋喃果糖苷酶的分子进化和功能分化机制，揭示了鳞翅目昆虫在长期进化过程中，为了适应寄主植物和有效利用食物中的蔗糖成份，通过水平基因转移和基因复制的方式巧妙调控蔗糖代谢的分子机制。
蔗糖是高等植物光合作用的重要产物。植食性昆虫利用中肠蔗糖酶将寄主植物的蔗糖水解为葡萄糖和果糖，为其生长发育提供主要的碳源和能量。鳞翅目昆虫包括蛾类和蝶类，全世界已知约20万种，除了家蚕等少数几种经济昆虫外，大部分是作物、蔬菜、果树等的主要害虫。课题组前期研究发现，与其他昆虫相比，鳞翅目昆虫含有多种特异性的蔗糖酶，其中β-呋喃果糖苷酶（SUC）基因种类多、酶活性高，进一步研究发现鳞翅目昆虫通过水平基因转移方式从细菌中获得SUC基因后又经历了基因复制，基因丢失和序列突变，导致鳞翅目昆虫基因组保留了不同数量的SUC基因。
水平基因转移（HGT）是基因通过非性方式跨物种移动的过程，被认为是基因组创新和进化的驱动力之一。基因复制在进化中的潜在功能一直是进化生物学和功能基因组学所关注的前沿科学问题之一。该研究基于比较基因组学，基因表达数据和酶学分析结果，发现SUC复制基因之间表现出明显的差异，发生了明显的功能分化。为了进一步验证SUC基因的生理功能，研究者在鳞翅目模式昆虫-家蚕中进行了CRISPR/Cas9敲除，获得不同类型的SUC基因敲除纯合突变体，发现突变体生长发育延迟，中肠和丝腺中的蔗糖酶活性显著降低，并且突变体中肠蔗糖酶更易受到桑叶中富含的1-脱氧野尻霉素的抑制。研究表明鳞翅目昆虫通过“基因水平转移”从细菌中获得SUC基因，进而发生基因复制和功能分化，提高了其对食物的适应性和利用效率，增强了体内蔗糖代谢的能力，促进其自身的生长和发育。
鳞翅目昆虫利用水平转移基因提高蔗糖的代谢效率
因此，这项研究创新发现水平转移基因驱动受体昆虫进化，协助鳞翅目昆虫利用寄主植物中的蔗糖，促进养分吸收，提高鳞翅目昆虫的适合度，研究结果为系统阐明鳞翅目昆虫蔗糖代谢和能量供给提供了新的理论基础，为益虫利用和害虫防治提供了新启示。
该工作主要由浙江大学动物科学学院王华兵课题组完成，博士研究生戴湘平为第一作者，王华兵教授为通讯作者。该课题受到国家自然科学基金资助。东京大学Toru Shimada教授团队也参与部分工作。
原文链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msab080
动物科学学院科研与开发科
2021年4月6日