土豆基因新發(fā)現(xiàn)

古 力

英國人彼得·格雷的《愛爾蘭大饑荒》引用愛爾蘭的一句諺語說：“窮人的餐點——除了小土豆就是大土豆?！痹?9世紀40至50年代，嚴重依賴土豆為生的愛爾蘭人遭遇了一場土豆歉收的大饑荒，結(jié)果造成約110萬人死亡，幸存者中大量的人移民到美國和加拿大，這使得美國的人口成分發(fā)生了重要的改變，美國前總統(tǒng)肯尼迪和克林頓就是愛爾蘭移民的后裔。

尋找致病基因

愛爾蘭大饑荒的原因有很多。不過，研究人員一直在探討是什么樣的致病菌導致了當時的土豆歉收。導致土豆大量死亡的元兇是一種病菌。研究人員一直在探索它的基因。這種探索有點像追蹤1914年至1918年導致4000萬至5000萬人死亡的西班牙大流感的病毒基因一樣。致使農(nóng)作物患病的病原菌如同致人患病的病菌一樣，都可以從基因上探索它們致病力的強與弱、傳播的途徑和危害性。盡管農(nóng)作物患病歉收導致人類的災害是間接的，但有時候并不亞于直接致人以死亡的疾病，愛爾蘭的大饑荒就是如此。因此，這樣的研究在今天可以為防止這兩類大災難提供有益的知識、經(jīng)驗和教訓。

愛爾蘭大饑荒中的土豆歉收過去一直認為是農(nóng)作物的晚疫病菌(一種真菌)所引起。晚疫病菌是卵菌或水霉菌的一個成員，在遺傳上它與瘧原蟲有著更為親密的關系。

今天，研究人員終于發(fā)現(xiàn)這種晚疫病菌的遺傳秘碼，并將研究結(jié)果發(fā)表于英國的《自然》雜志上。晚疫病菌的基因組要比一般的真菌大很多，它的外部裝裹了額外的DNA，使得它能很快適應環(huán)境，以進攻宿主，如土豆，造成作物大量死亡。

進行這項研究的美國麻省理工和哈佛聯(lián)合學院的查得·努斯鮑姆指出，晚疫病菌的基因組比它的一些同類細菌還要大得多，原因在于它擁有一些復制其自身的跳躍基因。

晚疫病菌的基因組約75％充滿了重復的DNA，這好像是一種快速的進化。這種進化使得病菌能迅速演化出可以進攻植物宿主的基因。這也能解釋為何晚疫病菌能毀壞在遺傳上對晚疫病有抵抗力的土豆。多年來，晚疫病一直對作物造成嚴重的危害，即使在今天人們可以使用大量的殺蟲劑，但也只有少數(shù)殺蟲劑能對付它們。

晚疫病通過孢子傳播，對全球的糧食安全造成了極大威脅。在美國，從邁阿密到俄亥俄州，晚疫病是目前家庭花園中土豆和西紅柿的主要殺手，并威脅到這些地方的商業(yè)和農(nóng)場。這種病導致土豆綠葉上環(huán)形的綠霉或棕色斑點，并且讓桿莖發(fā)黑，在幾天之內(nèi)就讓莊稼毀滅。

基因的比較

為了弄清晚疫病菌為何有如此大的殺傷力，研究人員破譯了它的基因組并與其兩種親屬——大豆疫霉病菌(P.sojae)和橡樹疫霉病菌(P.ramorun)的基因組進行比較。大豆疫霉病菌主要是感染大豆，而橡樹疫霉病菌則會導致橡樹和其他樹突然死亡。

研究人員發(fā)現(xiàn)。晚疫病菌的基因組是它的兩個親屬的基因組的2.5到4倍大，而且有兩個顯著的區(qū)域成全了它的攻擊性。一個區(qū)域充滿了產(chǎn)生迅速變化的DNA拷貝，是一個富含重復基因的區(qū)域。這個基因密集區(qū)域也包含大量對感染植物起重要作用的基因，例如它們與損害作物的霉菌屬基因有共同點。而另一個區(qū)域則包含著數(shù)百萬年進化以來所保留的基因。

由于晚疫病菌的基因變異非常迅速，它們能對作物產(chǎn)生更大的攻擊性，對作物的致病力也更強。變異基因當中有一種關鍵基因稱為“效應器”基因，它能瓦解和破壞作物的正常生理功能，因而能為自己的生存建立一個根據(jù)地。但是，晚疫病菌的這些基因也可能促發(fā)作物的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生反應，從而把這些基因當作晚疫病菌感染的最初目標來防御。

正是由于作物的免疫系統(tǒng)的抵抗作用，使得晚疫病菌啟動了基因的快速變化來反制作物的免疫系統(tǒng)。晚疫病菌的富含大量重復基因的區(qū)域就像一個孵化器，使得能對作物感染的病菌的關鍵基因快速地產(chǎn)生，又迅速地死亡。結(jié)果，這些致病的關鍵基因就既能隨時起作用，又隨時丟失，作物的免疫系統(tǒng)也就難以識別和打擊它們，因而難以抗御病菌的入侵。

對晚疫病菌基因的分析和對比也發(fā)現(xiàn)，可以通過它們的“效應器”基因來識別以前尚不知的其他致病“效應器”基因，特別是可以識別兩組重要的致病基因，如RXLR基因和哥倫比亞根癌線蟲(CRN)基因。RXLR基因是鐮刀形瘧原蟲向人類紅細胞中轉(zhuǎn)移所需要的基因，而CRN基因也能導致土豆染病并歉收。這對今天防止土豆、西紅柿和橡樹等植物的病害也有重要意義。

晚疫病菌的基因分布反映了它的生存戰(zhàn)略，它能迅速產(chǎn)生成千上萬的攻擊性基因，這些基因又比其他寄宿于農(nóng)作物的病菌進化得更快。因此，晚疫病菌有強大適應性和突變能力。

早在2001年6月7日，美國北卡羅萊納大學的植物病理學家瓊·里泰諾在英國《自然》雜志上發(fā)表報告說，引起1845年到1850年間愛爾蘭土豆大饑荒的不是過去所認為的來自墨西哥的US-1的菌株，而是另外一種菌株。里泰諾和同事們對英國保存的大饑荒土豆枯葉進行研究，分析了上面遺留的晚疫病菌的DNA，證明這些DNA特征與US-1菌株并不相同。今天，研究人員終于初步弄清了晚疫病菌的基因組，這對于防治今天的土豆疫情也有重要的幫助作用。

但是，僅僅弄清土豆的致病原因還不夠，因為這不足以解釋當時歐洲普遍出現(xiàn)土豆的晚疫病，但卻只在愛爾蘭產(chǎn)生大饑荒的現(xiàn)象。這就要從農(nóng)業(yè)指導思想和社會關系上找原因。其中一個重要原因就是，愛爾蘭人把雞蛋裝在了一個籃子里，或者說，他們只有一種食物可以依賴，這就是土豆。

晚疫病菌的強致病基因固然是土豆歉收的重要原因，但種植的單一和經(jīng)濟的貧困才是愛爾蘭大饑荒的更重要的原因。(文章代碼：2106)

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