跳跃基因助植物征服陆地

◎ 林之森

说到基因转移，我们首先想到的是遗传。我们从父母那里继承了基因，而父母又从他们的父母那里继承了基因，逐代相传。这种转移是“垂直”的，即基因只从同一物种的一代转移给下一代。

然而，这并不是事情的全部。有时基因转移也可以发生在没有任何亲缘关系的不同物种之间。这叫水平基因转移。这种情况在细菌中相当常见。事实上，水平基因转移正是耐药性能在各种不同类型的细菌中间迅速蔓延的主要原因之一。

会跳跃的基因

支配垂直基因转移的是遗传规律，那么水平基因转移是如何实现的？

原来，生物体上的基因不但会变异，有的还会跳跃：它们从染色体的一个位置跳到另一个位置，或者从一条染色体跳到另一条染色体，甚至从一种生物体跳到别的生物体。科学家把这种基因叫作“跳跃基因”。

跳跃基因可不只是无所事事地到处跳跃。一般的基因好像是手拿配方生产蛋白质的工人，而跳跃基因好像是这些基因的调度员，它们经常会打开或关闭某些基因，甚至会挟持一些基因与它们一起移动，这样会使染色体上的基因重新组合出新的基因，生产新的蛋白质，使生物体发展出新的能力。

水平基因转移就是靠跳跃基因在不同个体之间的跳跃来实现的。对于细菌来说，这个过程我们基本上已经弄清楚了。当一个细菌与另外一个细菌相遇时，常常会伸出一根管子相互接通。通过这根管子，两个细菌可以互相交换跳跃基因。

基因跳跃以病毒为媒介

直到不久前，水平基因转移还被认为只发生在细菌这样的简单生物中，但现在有证据表明，它也可以发生在植物甚至动物中间。例如，鲱鱼和香鱼，这两类通常生活在大西洋和太平洋最北端的鱼类，共享一个不可能通过正常遗传渠道转移的基因。此外，科学家在一种叫银叶粉虱的动物身上发现了——一个植物基因。

水平基因转移是如何在植物和动物中间实现的？因为植物和动物是真核生物，细胞核有核膜的保护（细菌的细胞没有核膜），基因不太可能直接从一个细胞跳到另一个细胞，更不用说从一个个体跳到另一个个体了。

目前普遍认为，动植物的水平基因转移可能是以病毒为媒介来实现：病毒相当于寄生的DNA 或RNA，有些病毒可以自由地进出细胞核。跳跃基因可能附着在病毒身上，把病毒当作“授粉的蜜蜂”，让病毒把它从“一朵花”带到“另一朵花”。

助植物由水生过渡到陆生

植物到陆地上生活是地球史上最重要的进化事件之一。最早的陆生植物出现在大约5亿年前的寒武纪时期，几乎与海洋中的多细胞动物同步出现。最近一项研究表明，正是水平基因转移驱动了植物从水生到陆生的进化。

植物从水生到陆生，环境发生了巨大的变化，其结构当然也要相应地做出重大调整。譬如，环境变干燥了，水分的获得和保持成了个巨大的挑战。还有，生活在水里的时候，水有浮力，哪怕植物自身软塌塌，也不妨碍其生长；到了陆地，浮力消失，植物得自己硬挺才行。

过去人们普遍认为，这些特征是水生植物通过遗传、变异，缓慢进化来的，但是最近美国东卡罗来纳大学的研究人员证明，这些特征是通过水平基因转移从细菌、真菌和病毒那里获得的。

为了调查这一点，研究人员分析了31 种植物的完整基因组，它们涵盖了4 个主要的植物群：苔藓类、蕨类、种子植物，以及与现代陆生植物最密切的绿藻。他们发现，植物中有593 个基因家族起源于真菌、细菌和病毒。

这些基因家族中，有许多对陆地生活起到关键的作用。例如，LEA2 基因家族帮助植物适应更干燥的环境。果胶酶基因家族则与陆生植物的细胞壁形成有关（果胶是植物细胞壁的一种主要成分），而这种细胞壁为陆生植物的直立生长提供支持。这两个基因家族都来自细菌。另有一个可以让植物从土壤中吸收氮肥的氨转运器基因家族则来自真菌。甚至负责含硫化合物（我们切洋葱时感受到的刺激性物质）的合成的基因也来自细菌。

与垂直的基因转移（遗传变异）相比，水平基因转移可以让一个物种迅速获得在通常情况下需要数百万年才能进化出来的新性状。所以，正是水平基因转移使最早的陆生植物迅速适应了新的陆地环境。

（王世全摘自《大科技·科学之谜》2023年第5 期 图/槿喑）