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玉米從彩色果粒中捕捉跳躍基因

2021-10-15 06:35:33史軍
知識(shí)就是力量 2021年10期
關(guān)鍵詞:蜀黍托克麥克

史軍

現(xiàn)如今,玉米是世界三大糧食作物之一,地位僅次于水稻和小麥。這樣的“光環(huán)”讓我們忽略了這種植物在科學(xué)發(fā)展史上,特別是遺傳學(xué)發(fā)展史上作出的突出貢獻(xiàn)。毫不夸張地說,玉米的一些特性徹底改變了人類對(duì)于脫氧核糖核酸(DNA)的認(rèn)識(shí),這是一個(gè)怎樣的故事呢?

古老的美洲食物

人類種植和食用玉米的歷史相當(dāng)悠久,在史前時(shí)期,中南美洲的印第安人就開始種植和食用玉米了??梢哉f,正是玉米這種植物撐起了南美洲的人類文明。玉米之于南美人,就像水稻之于東亞人、小麥之于西亞和歐洲人一樣重要。隨著意大利航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸,玉米的足跡也逐漸遍布世界各地,成為不同人群的主食。

在歐洲最早的藥典——《佛羅倫薩藥典》中有關(guān)于玉米的描繪:“在貧窮年代,人們會(huì)嚼玉米稈和高粱稈來獲取糖分。”

不過,如果我們以今天糧食作物的標(biāo)準(zhǔn)審視玉米的祖先——類蜀黍(大芻草),那它可是一點(diǎn)可取之處都沒有——一棵類蜀黍上有很多分枝條,每個(gè)分枝條上都有一些細(xì)瘦的穗子(就像我們今天看到的狗尾草),穗子上只有寥寥數(shù)個(gè)果粒,更要命的是,每個(gè)果粒都被硬殼包裹著。

毫無疑問,類蜀黍的這些性狀都是符合達(dá)爾文自然選擇理論的:更多保護(hù)穩(wěn)妥的種子會(huì)帶來更多后代。但是,看到這個(gè)模樣的類蜀黍,大概不會(huì)有人能想到,人類祖先會(huì)花力氣去啃這些費(fèi)牙的野草,更不用說把它們當(dāng)作寶貝種在農(nóng)田里了。

不過,作為玉米祖先的類蜀黍產(chǎn)生了兩個(gè)關(guān)鍵的基因突變:1號(hào)染色體TB1發(fā)生基因突變,突變體不再產(chǎn)生分枝條,而是只有一根直立的莖稈,這樣就可以把更多的營養(yǎng)投入籽粒生產(chǎn)中,產(chǎn)生更多可食用的飽滿玉米粒。更關(guān)鍵的是,4號(hào)染色體TGA1發(fā)生基因突變,這個(gè)突變導(dǎo)致類蜀黍的硬殼消失,突變體的食用性大大提升,人類再也不用想辦法對(duì)付那個(gè)大大的硬殼了。

那么,為什么玉米的祖先恰好能變成人類喜歡的樣子呢?

這就需要講述另外一個(gè)關(guān)于彩色玉米粒的故事了。

基因可以“跳”起來

在20世紀(jì)40年代之前,遺傳學(xué)界有一個(gè)共識(shí),那就是生物的DNA序列是恒定的。簡單來說就是基因在染色體上的位置是一成不變的。但是,一位叫芭芭拉·麥克林托克的美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象,在雜交試驗(yàn)中,有一些基因在染色體上的位置會(huì)發(fā)生改變,就像是基因在染色體上跳來跳去一樣,這就是跳躍基因(也被稱為轉(zhuǎn)座子)。麥克林托克當(dāng)時(shí)用到的研究材料是一些長期通過自交得到的玉米品系。這個(gè)品系屬于自花授粉,它們的基因組成應(yīng)該是一成不變的。但是,麥克林托克在檢查基因在染色體上的位置時(shí),發(fā)現(xiàn)有一些基因并未出現(xiàn)在預(yù)期的位置。也就是說,這些基因“跳”到了一個(gè)新位置。更有意思的是,這種位置變化會(huì)影響植物的外在表現(xiàn)——玉米葉片出現(xiàn)了特定的白色斑點(diǎn),而且位置相似。

圖為跳躍基因的發(fā)現(xiàn)者美國科學(xué)家芭芭拉·麥克林托克。她因此項(xiàng)研究成果獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(圖片來源/維基百科)

后來,麥克林托克發(fā)現(xiàn)跳躍基因不僅會(huì)影響玉米葉片的顏色,還會(huì)影響玉米籽粒的顏色。例如,當(dāng)某個(gè)基因發(fā)生跳躍時(shí),玉米籽粒中合成花青素的基因就會(huì)打開,這些玉米籽粒就會(huì)變成彩色。而且,基因是否會(huì)發(fā)生跳躍還會(huì)受到其他基因的控制。

從“垃圾DNA”到“淘金勝地”

20年前的教科書對(duì)于DNA序列功能的闡釋還停留在“編碼DNA”和“非編碼DNA”階段。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家認(rèn)為,DNA是遺傳信息的載體,而想要執(zhí)行功能,就必須由DNA產(chǎn)生蛋白質(zhì),最終實(shí)現(xiàn)生物學(xué)的功能。

值得關(guān)注的是,生物的DNA上存在很多所謂的“垃圾片段”,因?yàn)檫@些基因不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成,自然就被認(rèn)為沒有什么實(shí)際用途。由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)界并不清楚這些“非編碼DNA”的實(shí)際功能,于是在1972年,美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家大野·乾賦予它們一個(gè)名稱——“垃圾DNA”。

?跳躍基因會(huì)影響玉米籽粒的顏色

然而,隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),這些所謂的“垃圾DNA”發(fā)揮著難以想象的作用,甚至比編碼DNA更重要。比如跳躍基因就發(fā)揮著基因表達(dá)開關(guān)的作用,它們可以決定玉米籽粒中花青素基因是否打開。

所謂的“垃圾DNA”發(fā)揮著難以想象的作用

2009年,全新的玉米基因組測(cè)序結(jié)果出爐。令人吃驚的是,玉米基因組中有85%的序列都屬于麥克林托克發(fā)現(xiàn)的跳躍基因,這也就解釋了玉米的祖先——類蜀黍,為什么會(huì)有那些匪夷所思的變化,畢竟抽獎(jiǎng)的次數(shù)多了,總會(huì)有撞大運(yùn)的時(shí)刻。

其實(shí),在人類基因組中,也有98%的信息是看似無用的“垃圾”。而這些非編碼DNA往往執(zhí)行著重要的生命功能。當(dāng)年的“基因垃圾場(chǎng)”已經(jīng)成為科學(xué)家們的“淘金勝地”,對(duì)于非編碼DNA的深入研究,必將把人類對(duì)生命的認(rèn)識(shí)推升到全新的高度。

知識(shí)拓展?

水果玉米是轉(zhuǎn)基因品種嗎?

市場(chǎng)上除了五顏六色的彩色玉米,備受大家關(guān)注的還有水果玉米。有些水果玉米可以生吃,一口咬下去,甜蜜的汁液瞬間會(huì)在口腔中爆開,那一刻不由得讓人懷疑,一定是有人用高技術(shù)手段培育出了這種甜玉米。

那么,轉(zhuǎn)基因技術(shù)是不是被應(yīng)用在水果玉米中了呢?

實(shí)際上,水果玉米是一種超級(jí)古老的品種。1779年,歐洲殖民者從美洲的易洛魁人那里收集的玉米,因?yàn)榫哂卸嘀逄鸬奶匦?,很快就風(fēng)靡美國中南部區(qū)域,這是有文獻(xiàn)記載的最早的甜玉米品種。所以,水果玉米并不是轉(zhuǎn)基因品種。

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