作者：林秩緯
校稿：莊焙祺、劉宇宸、陳奕叡
什麼是水平基因轉移(Horizontal gene transfer, HGT)？
不論是有性生殖或是無性生殖，遺傳物質皆是由親代「垂直地」傳到子代，然而，自 1950 年代開始，科學家們發現遺傳物質也可以「水平地」在不同物種之間傳遞，與「垂直傳遞」不同的是，水平基因轉移通常僅會轉移少部分的遺傳物質，不會如有性生殖或無性生殖一樣將全套的遺傳物質傳遞出去。
第一個水平基因轉移的案例發現於白喉桿菌（Corynebacterium diphtheriae）中，這種細菌原本不會致病，而是在受到特定的嗜菌體感染後才會產生致病性，帶有白喉毒素（diphtheria toxin，DT）基因的嗜菌體感染白喉桿菌之後，會使 DT 基因嵌入白喉桿菌的基因體中，使得 DT 基因被表達，產生白喉毒素。受到嗜菌體感染的白喉桿菌也能繼續繁殖，產生有致病性的後代。來自不同物種的基因片段可以透過水平基因轉移整合進另一物種的基因體中，這些外來的基因片段也可能改變該物種的性狀。
什麼？地瓜的基因體內早就有農桿菌的基因片段
在現代的作物改良研究中，農桿菌基因轉殖是一項重要的技術。在自然環境中，農桿菌（Agrobacterium rhizogenes）是一種雙子葉植物的病原菌，它有一系列的 Vir 基因，這些基因各司其職，將農桿菌 Ri 質體上的一段 transfer DNA （T-DNA）片段剪下並且輸送至宿主細胞中，其中，VirD2 會辨識 T-DNA 片段上游及下游特定 25 個鹼基組成的「邊界序列」（border sequence）並完成剪切，而在農桿菌中的 Ri 質體上有兩個 T-DNA 片段：TR-DNA 與 TL-DNA（Fig. 1），當農桿菌感染植物時，就會將這兩個 T-DNA 片段輸送至宿主細胞中，使得受感染的部位不正常增生，並且產生冠癭鹼 （opine）為農桿菌提供養分來源。有趣的是，科學家們發現替換兩個邊界序列包圍的部分也不會影響 T-DNA 的轉移能力，於是科學家可以將這兩個邊界序列與目標基因序列組合在一起，製作出人工的質體，再交由農桿菌完成基因轉殖，如果目標基因能夠成功被整合進作物的基因體中，就有可能改變作物的性狀，達成利用基因工程改良作物的目的。
儘管在改良作物時會將人工的質體轉殖到作物的胚珠、癒傷組織內，使得嵌入作物基因體的外源 DNA 片段可以被遺傳下去，但是在自然環境中，農桿菌通常只感染植物的根部或者其他營養器官，並不會在世代間傳遞。神奇的是，我們經常食用的番薯（Ipomoea batatas）的基因體中就帶有來自農桿菌的基因片段。在 2015 年，一支研究團隊在分析一個名為 Huachano 的番薯品種的 small RNA註1 時，意外偵測到來自農桿菌的數個基因，他們進一步利用染色體步移（genome walking）確認了這些基因來自兩個不同的 T-DNA 片段，他們將這兩個 T-DNA 片段分別命名為 IbT-DNA1 與 IbT-DNA2 [2]。IbT-DNA1 包含 C-protein (C-prot)、iaaH (aux2)、iaaM (aux1)、RolB 等基因，對應到農桿菌 Ri 質體的 TR-DNA 片段，在自然的感染情境下，這些基因會使感染部位對於生長素 （Auxin）更為敏感，使得感染部位的細胞不正常增生 [3-5]。其中 iaaH 與 iaaM 還是參與生長素生合成的酵素註2（Fig. 2）[6]，它們會直接增加感染部位的生長素含量；IbT-DNA2 則對應到農桿菌 Ri 質體的 TL-DNA，這個片段也在菸草屬（Genus Nicotiana）中的多個物種中發現，擁有這個片段的菸草屬物種有較為發達的根系，沒有這個片段的菸草屬物種則較傾向於發展地上部 [7]。
由於農桿菌感染會促進根部的組織增生，該團隊也嘗試分析這兩個 T-DNA 片段是否與儲藏根的發育有關。他們分析了 291 個六倍體番薯品種的基因體，發現 IbT-DNA1 存在所有的六倍體番薯品種中，而 IbT-DNA2 只存在 42 個六倍體番薯品種裡。然而，擁有 IbT-DNA2 與否並不影響根部發育的特徵 [2]。後續也有研究團隊發現 IbT-DNA1 和 IbT-DNA2 並不只存在於六倍體番薯中，在紅花野牽牛（Ipomea triloba）、大紅花野牽牛（Ipomea cordatotriloba）以及最接近番薯的大星牽牛（Ipomea trifida）中也有發現至少一個 T-DNA 片段（Fig. 3）[8]。在這三個物種中，也只有大星牽牛的部分品種具有儲藏根（Fig. 4） [9]。綜合以上，目前尚無證據可以支持這兩個 T-DNA 片段是促成番薯儲藏根發育的主因。
菸草屬與番薯屬物種中的農桿菌 T-DNA 引起許多研究團隊的興趣，大家好奇農桿菌 T-DNA 片段是否存在其他植物物種中。 2019 年一組研究團隊針對 275 個植物的基因體進行大規模的搜索，結果發現除了已知的菸草屬植物與番薯之外，還有 23 個物種帶有來自農桿菌的 T-DNA 片段，這些物種涵蓋 10 綱 12 科 17 屬，在植物界中可說是分布廣泛 [10]。至於農桿菌的基因整合入植物的基因體之後，究竟有沒有提高這些植物的適應能力呢？這個問題還有待更多研究釐清。
來自於共生真菌的小麥赤黴病抗性基因
在自然環境中，因為單子葉植物能夠分泌抑制 Vir 蛋白的物質，使得農桿菌無法感染它們。不過在單子葉植物中，科學家也發現了來自真菌的水平基因轉移事件，並且促成了小麥（Triticum aestivum）對於小麥赤黴病的抗性 [11]。小麥赤黴病是由鐮孢菌屬（Genus Fusarium）的病原真菌引起的小麥病害，在小麥的抽穗期，若是遇上陰雨天氣，病原真菌會感染正在發育的小麥麥穗，使得受感染的小麥麥穗出現淡褐色斑點或是粉紅色黴狀物（Fig. 4），並且使麥穗枯死，大幅減少小麥田的產量；即使麥穗沒有枯死，病原真菌產生的新月毒素（trichothecenes）也會污染穀粒。
為了對抗小麥赤黴病，科學家從不同的小麥品種以及小麥的野生近緣物種中，篩選出具有小麥赤黴病抗性的基因座。其中，有一個來自二倍體長穗偃麥草（Thinopyrum elongatum）的基因座 Fhb7 ，在近年被發現是源自於另一群真菌——香柱菌屬（Genus Epichloë）。香柱菌屬真菌會與許多早熟禾亞科註3（Pooideae）的物種形成共生關係，Fhb7 就在某個時間點從香柱菌屬的真菌中轉移到了長穗偃麥草中。經過更仔細的研究後，科學家們發現 Fhb7 其實是一個酵素，這個酵素會將谷胱甘肽（glutathione，一種生物體內常見的抗氧化劑）上的硫醇基團與新月毒素上的環氧基團相結合，讓新月毒素失去毒性（Fig. 5）。他們也將 Fhb7 利用雜交的方式引入不同種的小麥品種中，發現帶有 Fhb7 的植株較能耐受小麥赤黴病的侵害，不僅受感染的穀粒較少，死亡率也較低，並且在植株健康的情形下，帶有 Fhb7 的植株也能維持一樣的產量 [11]。
基因工程行不行？
基因會在物種之間流動，特別是透過水平基因轉移，可以將特定基因片段整合進親緣關係較遠的物種之中，這些「外來的」基因也可能在生物體中產生新的蛋白質，催化新興的生化反應，促成有益的性狀變化。單純針對「基因轉移」這件事而言，基因工程造成的結果本質上與水平基因轉移一樣，許多基改作物也已經成功商業化，增加糧食的產量與品質，並且相較於育種雜交或者是天然的水平基因轉移事件，基因工程能利用的生物資源更多。自從 1994 年第一個基改作物莎弗番茄（Flavr Savr tomato）上市以來，針對基改作物及相關產品的毒性、過敏原、生化與營養成分的分析皆有標準及指引，可以評估外源基因帶來的生物性變化對人體造成的影響，類似於藥物疫苗上市前皆須接受相關評估一樣。在作物開發與風險評估的技術都成熟的現今，筆者認為我們應該對基改作物抱持更加開放的態度。討論基改作物的議題時，我們可以將關注的重點放在基改作物商業化後的社會議題上，例如基改作物公司壟斷市場「綁架」農民生計的案例，畢竟科技的革新不僅限於技術層面，在社會文化與制度上的影響更需要我們投入心力思考與討論。
註釋
- 泛指長度小於200個核苷酸（nt）的 RNA 分子，多為非編碼 RNA（ncRNA）。
- 這兩個酵素與植物中生長素生合成的某些酵素恰好同功能，植物本身並沒有這兩個酵素。
- 許多穀物及牧草皆屬於此亞科，包含小麥及長穗偃麥草。
參考資料
[1] Ozyigit, I. I., Dogan, I., & Artam Tarhan, E. (2013).
Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation and its biotechnological applications in crops. Crop improvement: new approaches and modern techniques, 1-48.
[2] Kyndt, T., Quispe, D., Zhai, H., Jarret, R., Ghislain, M., Liu, Q., ... & Kreuze, J. F. (2015).
The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: an example
of a naturally transgenic food crop. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(18), 5844-5849.
[3] Lacroix, B., Gizatullina, D. I., Babst, B. A., Gifford, A. N., & Citovsky, V. (2014).
A grobacterium T‐DNA‐encoded protein A tu6002 interferes with the host auxin response. Molecular plant pathology, 15(3), 275-283.
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[5] Lacroix, B., Gizatullina, D. I., Babst, B. A., Gifford, A. N., & Citovsky, V. (2014).
A grobacterium T‐DNA‐encoded protein A tu6002 interferes with the host auxin response. Molecular plant pathology, 15(3), 275-283.
[6] Mashiguchi, K., Hisano, H., Takeda-Kamiya, N., Takebayashi, Y., Ariizumi, T., Gao, Y., ... & Kasahara, H. (2019).
Agrobacterium tumefaciens enhances biosynthesis of two distinct auxins in the formation of crown galls. Plant and Cell Physiology, 60(1), 29-37.
[7] Aoki, S., & Syōno, K. (1999). Synergistic function of rolB, rolC, ORF13 and ORF14 of TL-DNA of Agrobacterium rhizogenes in hairy root induction in Nicotiana tabacum. Plant and cell physiology, 40(2), 252-256.
[8] Quispe-Huamanquispe, D. G., Gheysen, G., Yang, J., Jarret, R., Rossel, G., & Kreuze, J. F. (2019).
confined to hexaploid sweetpotato. Scientific Reports, 9(1), 12584.
[9] Li, M., Yang, S., Xu, W., Pu, Z., Feng, J., Wang, Z., ... & Tan, W. (2019).
The wild sweetpotato (Ipomoea trifida) genome provides insights into storage root development. BMC Plant Biology, 19, 1-17.
[10] Matveeva, T. V., & Otten, L. (2019). Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants
by Agrobacterium. Plant Molecular Biology, 101, 415-437.
[11] Wang, H., Sun, S., Ge, W., Zhao, L., Hou, B., Wang, K., ... & Kong, L. (2020).
Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat. Science, 368(6493), eaba5435.
[12] Unknown (date unknown). Fusarium head blight. The Andersons. Accessed on 03/10/2025.
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