玉米從彩色果粒中捕捉跳躍基因

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。可以說，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?！?/p>

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(yíng)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(jiǎn)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(zhǎng)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。