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。毫不夸張地說，玉米的一些特性徹底改變了人類對于脫氧核糖核酸（DNA）的認識，這是一個怎樣的故事呢？

古老的美洲食物

人類種植和食用玉米的歷史相當悠久，在史前時期，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準審視玉米的祖先——類蜀黍（大芻草），那它可是一點可取之處都沒有——一棵類蜀黍上有很多分枝條，每個分枝條上都有一些細瘦的穗子（就像我們今天看到的狗尾草），穗子上只有寥寥數(shù)個果粒，更要命的是，每個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爾文自然選擇理論的：更多保護穩(wěn)妥的種子會帶來更多后代。但是，看到這個模樣的類蜀黍，大概不會有人能想到，人類祖先會花力氣去啃這些費牙的野草，更不用說把它們當作寶貝種在農(nóng)田里了。

不過，作為玉米祖先的類蜀黍產(chǎn)生了兩個關(guān)鍵的基因突變：1號染色體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號染色體TGA1發(fā)生基因突變，這個突變導(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付那個大大的硬殼了。

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關(guān)于彩色玉米粒的故事了。

基因可以“跳”起來

在20世紀40年代之前，遺傳學(xué)界有一個共識，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，在雜交試驗中，有一些基因在染色體上的位置會發(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）。麥克林托克當時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，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”到了一個新位置。更有意思的是，這種位置變化會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，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。她因此項研究成果獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎（圖片來源/維基百科）

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

從“垃圾DNA”到“淘金勝地”

20年前的教科書對于DNA序列功能的闡釋還停留在“編碼DNA”和“非編碼DNA”階段。當時的科學(xué)家認為，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”，因為這些基因不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，自然就被認為沒有什么實際用途。由于當時的科學(xué)界并不清楚這些“非編碼DNA”的實際功能，于是在1972年，美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家大野·乾賦予它們一個名稱——“垃圾DNA”。

?跳躍基因會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，為什么會有那些匪夷所思的變化，畢竟抽獎的次數(shù)多了，總會有撞大運的時刻。

其實，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。當年的“基因垃圾場”已經(jīng)成為科學(xué)家們的“淘金勝地”，對于非編碼DNA的深入研究，必將把人類對生命的認識推升到全新的高度。

知識拓展?

水果玉米是轉(zhuǎn)基因品種嗎？

市場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？

實際上，水果玉米是一種超級古老的品種。1779年，歐洲殖民者從美洲的易洛魁人那里收集的玉米，因為具有多汁清甜的特性，很快就風(fēng)靡美國中南部區(qū)域，這是有文獻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。