你絕對猜不到，是誰改造了番薯的基因

飛雪

說到番薯，大家一定不會(huì)感到陌生。當(dāng)然，在我國的不同地區(qū)，它還有甘薯、紅苕、紅薯、地瓜等不同名稱，顯示了它在我國有著廣泛的“群眾基礎(chǔ)”。這也難怪，我國是世界番薯產(chǎn)量第一大國，每年生產(chǎn)的紅薯產(chǎn)量高達(dá)1.2億噸，占到全世界總產(chǎn)量的80%左右。

盡管我國番薯產(chǎn)量在世界上占據(jù)頭號地位，但番薯卻并非我國原產(chǎn)。番薯（Ipomoea batatas）是旋花科番薯屬中的一種，原產(chǎn)地在遙遠(yuǎn)的大洋彼岸——美洲中南部。對于當(dāng)?shù)赝林裕淼脑耘嘤兄鴶?shù)千年的歷史。但直到15—16世紀(jì)地理大發(fā)現(xiàn)時(shí)代，西班牙殖民者才第一次將番薯帶出美洲。而到距今400多年前的明朝時(shí)期，它才通過東南亞地區(qū)傳入我國——番薯的“番”字就由此而來。

自番薯在世界各地廣泛種植以來，它就成為了我國乃至世界最為重要的薯類作物之一，其重要性僅次于馬鈴薯。番薯含有大量的淀粉，除了能直接烤、煮、蒸食外，還能被加工為多種類型的食品——我們所吃的粉條和粉絲，就主要由番薯加工而來。此外，還有大量的番薯被用作飼料飼喂牲畜。

正因?yàn)榉碓诓耸袌錾舷∷善匠?，人們在挑選和食用時(shí)并不會(huì)對它的天然性產(chǎn)生懷疑。然而最近，一項(xiàng)研究結(jié)果可能會(huì)讓一些人心中對番薯純天然的印象泛起波瀾——研究者在番薯的基因組中，發(fā)現(xiàn)了由細(xì)菌轉(zhuǎn)移而來的DNA片段。

番薯基因組中的細(xì)菌DNA片段

在對番薯基因組進(jìn)行分析的過程中，來自比利時(shí)根特大學(xué)、國際薯類研究中心、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)及美國農(nóng)業(yè)部植物遺傳資源研究室的聯(lián)合研究組發(fā)現(xiàn)，番薯的基因組中存在有2段基因片段，與土壤細(xì)菌農(nóng)桿菌內(nèi)被稱為T-DNA的序列高度相似。這2段片段被分別稱為IbT-DNA1和IbTDNA2（Ib是番薯學(xué)名的縮寫）。這2段番薯基因組中的序列和農(nóng)桿菌DNA序列相似度之高，足以讓研究者們確信它們的確是由農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)移到番薯基因組中的。

為了確定這種轉(zhuǎn)移發(fā)生的時(shí)間，研究者分析了從南美洲、中美洲、非洲、亞洲及大洋洲的不同地區(qū)采集的數(shù)百個(gè)番薯樣品。這些樣品包括栽培番薯、野生番薯和番薯屬的近緣種。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究者所收集的291個(gè)栽培番薯無一例外地含有IbT-DNA1片段，而這一片段在其他野生番薯或近緣種中則不存在。此外，IbTDNA2片段則存在于部分栽培番薯、野生番薯和近緣種中。

這一結(jié)果表明，至少對于IbT-DNA1片段來說，它向番薯轉(zhuǎn)移的發(fā)生時(shí)間和栽培番薯開始選育的時(shí)間具有高度一致性——只有如此，才能解釋為何它會(huì)存在于所有的栽培番薯中，而不存在于它的野生祖先中。此外，在栽培番薯中的農(nóng)桿菌DNA片段上，還存在幾個(gè)完好的、可以表達(dá)的基因。通過檢測，研究者發(fā)現(xiàn)這些基因可以在番薯的不同組織中進(jìn)行表達(dá)。他們推測，這一基因轉(zhuǎn)移事件很可能為番薯的選育提供了某些特征，使其能夠通過選擇而被保存和擴(kuò)散開來。

農(nóng)桿菌——基因轉(zhuǎn)移的好手

那么，農(nóng)桿菌的DNA片段為何會(huì)進(jìn)入番薯的基因組呢？這還得從農(nóng)桿菌的特性說起。

雖然農(nóng)桿菌在土壤中廣泛存在，但它更喜歡寄生在植物組織內(nèi)部——畢竟在植物體內(nèi)獲取營養(yǎng)，比分解有機(jī)物要容易多了。當(dāng)它們寄生于植物組織內(nèi)時(shí)，還會(huì)使植物組織為它們長出諸如瘤或毛狀根等特殊結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一類特殊的、植物本身不能合成的氨基酸衍生物（稱為冠癭堿）供農(nóng)桿菌享用。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)的不同，農(nóng)桿菌可以被分為兩大類——根瘤農(nóng)桿菌（也叫根癌農(nóng)桿菌）和發(fā)根農(nóng)桿菌。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一旦植物開始形成瘤和毛狀根，這些結(jié)構(gòu)的后續(xù)生長及冠癭堿的合成都不需要農(nóng)桿菌的菌體存在就能繼續(xù)進(jìn)行。這意味著，農(nóng)桿菌是依靠改變組織細(xì)胞生長的調(diào)控機(jī)制達(dá)到誘導(dǎo)特殊結(jié)構(gòu)發(fā)育和冠癭堿合成的目的的。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，農(nóng)桿菌體內(nèi)含有一個(gè)巨大的、獨(dú)立于細(xì)菌本身基因組的環(huán)狀DNA——它被稱為致瘤質(zhì)粒（Ti質(zhì)粒），發(fā)根農(nóng)桿菌中則稱為發(fā)根質(zhì)粒（Ri質(zhì)粒）——上面包含有一段可以移動(dòng)的DNA序列。而這段序列上，恰恰包含了刺激植物細(xì)胞分裂、合成冠癭堿等功能的多個(gè)基因。當(dāng)農(nóng)桿菌侵染植物后，這段DNA序列就能被轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞內(nèi)，并整合到植物基因組中，從而刺激植物形成瘤或毛狀根，并合成冠癭堿。因此，這段DNA被稱為轉(zhuǎn)移DNA（T-DNA），這就是番薯中那2段片段名稱的來歷。

事實(shí)上，農(nóng)桿菌進(jìn)行的這種基因轉(zhuǎn)移并不少見。在煙草和柳穿魚（一種花卉）的基因組中同樣也有農(nóng)桿菌的T-DNA的身影。而另一種借助T-DNA進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象更為普遍，只不過它們是借助人工手段進(jìn)行的：科學(xué)家將Ti質(zhì)粒上那些造成植物長瘤、合成冠癭堿的基因刪去，而保留了T-DNA能夠轉(zhuǎn)移的特性，將質(zhì)粒改造成高效的基因載體，可以攜帶其他基因整合入植物體內(nèi)——這，就是基因改造技術(shù)的基本手段。

從這一角度來看，我們現(xiàn)在廣泛種植的番薯，相對于它們的野生近親，都可以被視為經(jīng)過了基因改造。只不過這一過程沒有借助人手，而是由農(nóng)桿菌和番薯間的相互作用自發(fā)完成的。

天然不天然，有那么重要嗎？

在通常人的印象中，基因的傳遞都是通過親代一子代這種垂直方向上進(jìn)行的。然而目前越來越多的證據(jù)表明，在漫長的演化過程中，不同個(gè)體或群體間水平的基因傳遞（HGT）可能扮演著同樣重要、甚至更為重要的作用。

從宏觀角度看，改變地球生命發(fā)展歷史的兩個(gè)重要事件——有氧呼吸真核細(xì)胞的誕生，以及光合作用真核細(xì)胞的誕生——就伴隨著兩次大規(guī)模的HGT：好氧細(xì)菌的基因及光合細(xì)菌的基因分別向真核細(xì)胞基因組的轉(zhuǎn)移。正是這兩次HGT促成了今天真核細(xì)胞內(nèi)的線粒體和葉綠體的存在，而地球所有的動(dòng)物和植物，也都仰賴這兩次HGT事件，才得以誕生于地球之上，構(gòu)成了五光十色的生物圈。

而從微觀角度看，橫向基因轉(zhuǎn)移帶來的基因改造，也是除基因突變和重組外，生物獲得賴以生存的性狀的來源之一。例如，蕨類植物就從苔蘚植物角苔中獲取了一種光敏蛋白，從而增強(qiáng)了自身對林下弱光的感受能力；而在動(dòng)物中，植物寄生性線蟲也從侵染植物的細(xì)菌中獲得了降解植物細(xì)胞壁的基因，從而能夠突破植物細(xì)胞壁的屏障。而回到本文所述的例子中，番薯的野生祖先，就可能因?yàn)檗r(nóng)桿菌造成的水平基因轉(zhuǎn)移帶來了某些性狀的改變，從而被種植者選擇，進(jìn)而成為栽培作物，最后走進(jìn)普羅大眾的生活。

人類利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對栽培作物實(shí)施的基因改造，與自然界已經(jīng)進(jìn)行和正在進(jìn)行的、由HGT帶來的基因改造，其實(shí)本質(zhì)上有著類似的過程和效果：它們都是通過篩選——無論是人工篩選還是自然選擇——選擇出產(chǎn)生了特定性狀的、基因發(fā)生了變化的個(gè)體，使其能夠更加適應(yīng)環(huán)境，不管這個(gè)環(huán)境是出于人類需要還是指自然環(huán)境。

從這個(gè)角度說，這種基因轉(zhuǎn)移帶來的基因改造，到底是天然還是非天然，界限已然模糊?；蛟S正如心理學(xué)家Robert Steinberg所言，在人們心中對天然和非天然的劃分，更多的是熟悉與否罷了。