水平基因转移是原核和真核生物进化的重要驱动力。我们系统地筛查了218个昆虫的高质量基因组，并发现昆虫获得了1410个水平转移基因。此外，首次报道水平转移基因促进雄性昆虫求偶行为。

Horizontal gene transfer (HGT) is an important evolutionary force shaping prokaryotic and eukaryotic genomes. We systematically examined HGT in 218 high-quality genomes of diverse insects and found that they acquired 1,410 genes exhibiting diverse, including many not previously reported, functions via 741 distinct transfers from non-metazoan donors. In addition, we identified an unreported gene LOC105383139 that enhances male courtship behavior.

经过多年研究，浙江大学农业与生物技术学院沈星星团队、黄健华团队，以及美国范德堡大学Antonis Rokas，集生物大数据、生物信息学、功能基因组学等多个交叉学科，系统地研究昆虫纲的水平基因转移。

该项目创制了高精度水平转移基因的智能算法，揭示了鳞翅目（蝴蝶和蛾类）为获水平转移基因数目最多的昆虫类群，阐明了水平转移基因扎根在昆虫基因组上的演化机制，以及在国际上首次报道水平转移基因促进雄性昆虫求偶行为。这项研究于北京时间2022年7月18日，刊登于国际顶级期刊《细胞》杂志（Cell，2022，185(16):2975-2987）。

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图2  水平转移基因增强雄性昆虫求偶行为

揭秘雄性昆虫“求偶”的基因密码，为害虫防控提供新思路

众所周知，基因是由父母到子女一代一代垂直传递的。然而浙大科研团队最近发现，许多微生物在与昆虫共生时，会悄悄将其基因传递给昆虫。这些外来基因之所以能无视传统遗传法则的禁锢，在生物进化树上神出鬼没，是因为它拥有一项独特的本领：像猴子那样，从一根树枝跳到另一根树枝。也就是说，它的转移是跨不同生物物种之间的水平转移。因此，它们常常被叫做水平转移基因。而在这些“外来者”的队伍里，有一种基因对昆虫求偶起到重要作用——没了它，雄性昆虫将拒绝“恋爱”，执着“单身”。

这项研究于北京时间2022年7月18日深夜刊登在国际顶级期刊《细胞》上，浙江大学农业与生物技术学院昆虫科学研究所沈星星研究员、黄健华研究员、美国范德堡大学Antonis Rokas教授为共同通讯作者。 对于这项研究的前景，沈星星介绍，从蛾类与蝴蝶HGT基因的研究中，我们发现了昆虫繁衍的“新钥匙”，这对未来重要农业害虫的绿色防控提供了新思路，这种导致昆虫后代数量急剧降低的机制，对于寻找害虫控制的新靶标和关键环节具有重要而深远的现实意义。

“火眼金睛”精准识别水平转移基因

“经过几亿年的进化，昆虫到底获得了多少水平转移基因？”带着这个科学问题，研究人员开展了大规模的水平转移基因的鉴定和筛查。

研究人员对218个高质量的昆虫基因组开展系统分析和研究，这些昆虫种类包括多种蝴蝶、蛾类、甲虫、飞虱、蜜蜂等，并对近400余万个基因样本进行了大数据分析和筛查。“过去也能看到零星水平转移基因研究，但是如此大规模研究实属罕见，并且该研究还开发了一种更高精度的筛查算法。”《细胞》一位匿名评审专家指出。

本研究共鉴定获得1410个外源的水平转移基因，许多都是首次报到。平均而言，鳞翅目（如小菜蛾、黑脉金斑蝶等）获得16个HGT基因/物种，半翅目（如褐飞虱等）获得13个HGT基因/物种，鞘翅目（如赤拟谷盗等）获得6个HGT基因/物种，膜翅目（如西方蜜蜂等）获得3个HGT基因/物种。

“成人之美”揭示昆虫繁衍的新奥秘

这1410个水平转移基因，经过岁月的冲刷，在昆虫体内到底发挥了什么作用？于是针对这些水平转移基因开展了功能分析和验证研究，取得了令人振奋的发现。

黄健华介绍：“我们选择小菜蛾进行基因编辑，一方面是因为小菜蛾是国际上蔬菜的重大害虫，对于甘蓝、白菜、油菜、西兰花等十字花科作物危害非常大，每年都造成巨大损失。另一方面，团队近二十多年来一直开展小菜蛾的生物防治研究，在实验室内建立了纯合的小菜蛾野生型饲养体系，便于基因功能验证。”

研究人员首先对占比最高的水平转移基因包括LOC105383139（蛾类与蝴蝶均获得该外源基因）开展了系列功能研究。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了LOC105383139敲除的突变体，发现从李斯特菌Listeria中获得的水平转移基因LOC105383139对雄性小菜蛾成虫具有特殊作用。

研究人员惊奇地发现，相比较野生型小菜蛾，突变体小菜蛾后代数量减少了约70%，但是突变体小菜蛾的生长发育，如体长、取食、生殖器官等均未受到影响。那么什么原因导致突变体小菜蛾后代数量急剧减少的呢？研究人员通过行为学实验进一步验证，发现突变体小菜蛾雄虫对雌虫的求偶欲望显著地降低了，也就是说，一旦缺少这个基因，雄虫求偶能力就急剧下降。至此，本研究证实了HGT基因LOC105383139有助于增强雄虫对雌虫求偶行为，发现了细菌帮助昆虫求偶的“成人之美”新机制。这也是HGT基因影响动物求偶行为的首次报道。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014