科学家发现首例动物体内自制胡萝卜素现象

长期以来,科学家始终认为,通过饮食是动物获取所需胡萝卜素的唯一来源。没有文字记载说动物能够靠自身的能力生产或制造胡萝卜素。
然而,美国亚利桑那大学研究人员新公布的研究成果改变了人们的观点,他们发现,一种名为豌豆蚜虫的昆虫能够生产制造自身所需的基本营养成分——胡萝卜素。负责研究工作的是亚利桑那大学生态和进化生物学教授南希·莫兰,主要合作者包括化学和生物化学系研究专家泰勒·贾尔沃。
莫兰表示,从鸡蛋黄的黄色,到虾和三文鱼的粉色,再到火烈鸟、西红柿、胡萝卜、柿子椒和金盏花粉色等,这些颜色的背后均是胡萝卜素在“作祟”,人们从胡萝卜素的广泛分布中,不难明白它实际上存在于生命的各个角落。
莫兰和同事通过在实验室中培养豌豆蚜虫,了解到了它们是如何获得生产胡萝卜素的能力的。她表示,研究小组的发现源于实验室中发生一次幸运的意外以及其他科学家最近完成的豌豆蚜虫基因组测序工作。
豌豆蚜虫的英文学名为Acyrthosiphonpisum,它们的颜色有红色和绿色两种。豌豆蚜虫为无性系动物,“母亲”直接繁殖“女儿”,而“女儿”与“母亲”具有相同的遗传特征。
2007年,莫兰和同事在实验室中发现红色5A系豌豆蚜虫神奇地繁殖出黄绿色的后代时,知道这是豌豆蚜虫的基因发生突变的结果。他们将新生的黄绿色豌豆蚜虫称为5AY系,并将它们在实验室作为“宠物”培养,认为也许某天会有机会了解颜色出现如此变化的真正原因。
豌豆蚜虫体内存在着共生菌(symbioticbacteria)。这些共生菌生活在豌豆蚜虫体内特殊的细胞中,并从母系豌豆蚜虫直接传递给其后代。共生菌为豌豆蚜虫提供了至关重要的营养。如果蚜虫的共生菌死亡,那么蚜虫也就随之而灭。
莫兰研究豌豆蚜虫和细菌体系长达数10年,知道有3种主要的共生菌并不生产胡萝卜素。此外,她十分清楚,豌豆蚜虫并不从它们的食物中获取胡萝卜素,因为豌豆蚜虫是通过吸取植物韧皮部树液来获得所需食物的,而树液本身胡萝卜素贫乏,并且蚜虫体内的胡萝卜素与植物中的并不相同。
2009年底,在豌豆蚜虫全部的DNA测序完成并为研究人员共享后,莫兰决定利用这些基因序列寻找豌豆蚜虫的胡萝卜素基因。由于有机物利用相同的生物合成途径获取胡萝卜素,因此莫兰和同事认为可以直接寻找豌豆蚜虫的胡萝卜素基因。
在豌豆蚜虫基因组测序中,研究人员分析的是红色豌豆蚜虫,它们带有额外的胡萝卜素基因副本,这使得研究人员很容易地找到了导致豌豆蚜虫呈红色的基因。随后,莫兰和同事的工作就是了解红豌豆蚜虫额外的胡萝卜素基因副本到底是来自豌豆蚜虫的DNA,还是来自少见的共生菌,或是因样品被真菌所污染的结果。
研究发现,从豌豆蚜虫中除掉共生菌并没有改变其后代的颜色,这意味着共生菌并不是蚜虫红色的来源。然而,通过追踪红色、绿色以及2007年获得的黄绿色豌豆蚜虫的家系,证明颜色变化符合孟德尔遗传特征,这表明导致豌豆蚜虫呈红色的DNA片段是豌豆蚜虫DNA的组成部分。
莫兰和同事发现的豌豆蚜虫遗传特征与其他研究小组的结果吻合,该研究认为,自然界豌豆蚜虫具有两种颜色的原因在于红色豌豆蚜虫更易受到寄生蜂的影响,而绿色豌豆蚜虫更容易受到其天敌如瓢虫的影响。
解释疑团最终的关键在于该基因片段从何而来。研究人员发现,蚜虫体中特殊的编译胡萝卜素代码的DNA片段不同于细菌的胡萝卜素基因,但与某些真菌(fungus)的胡萝卜素基因相同。莫兰认为,事实上是一种真菌基因进入了蚜虫的体内并被复制,虽然在两种微生物之间发生基因转移十分常见,但是一种真菌的功能性基因作为一种动物的DNA却是人们首次遇见。
莫兰表示,蚜虫和病原菌类(pathogenicfungi)之间的长期关联也许使得基因转移成为可能。或许这只是一个十分罕见的事例。然而,按照迄今为止的基因组研究获得的结论,单一的首次事例通常是广为存在事物的一个写照。新的发现表明生物体和它们基因组随着时间的推移发生交织,并以不同的方式融合。看来,不同的基因组和生物体以及家系之间的差异比人们想象中的要小许多。
动物存在许多需求,反映出的是先辈基因的丧失。这是人们的饮食需要多种氨基酸和维生素的原因。过去,人们认为没有动物能够重新获得这些已丧失的能力。但是,豌豆蚜虫的事例表明,它的确获得了生产自己所需化合物的能力。

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