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        1. 你絕對猜不到,是誰改造了番薯

          果殼網 2021-09-09 06:38:41

          說到番薯,大家一定不會感到陌生。當然,在我國的不同地區,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”。這也難怪,我國是世界番薯產量第一大國,每年生產的紅薯產量高達1.2億噸,占到全世界總產量的80%左右[1]。


          盡管我國番薯產量在世界上占據頭號地位,但番薯卻并非我國原產。番薯(Ipomoea batatas)是旋花科番薯屬中的一種,原產地在遙遠的大洋彼岸——美洲中南部。對于當地土著而言,番薯的栽培有著數千年的歷史.但直到15-16世紀地理大發現時代,西班牙殖民者才第一次將番薯帶出美洲。而到距今400多年的明朝時期,它才通過東南亞地區傳入我國——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。


          “能,好,很多做法”,番薯在作為重要的食材,是市場上最常見薯類之一。圖片來源:wordpress.com


          正因為番薯在菜市場上稀松平常,人們在挑選和食用時并不會對它的“天然性”產生懷疑。然而最近,一項研究結果可能會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,發現了由細菌轉移而來的DNA片段。



          番薯基因組中的“細菌DNA片段”


          在對番薯基因組進行分析的過程中,來自比利時根特大學(Ghent University)、國際薯類研究中心(International Potato Center, IPC)、中國農業大學以及美國農業部植物遺傳資源研究室(Plant Genetic Resources Unit)的聯合研究組發現,番薯的基因組中存在有2段基因片段,與土壤細菌農桿菌內被稱為T-DNA的序列高度相似。這兩段片段被分別稱為IbT-DNA1和IbT-DNA2(Ib是番薯學名的縮寫)。這兩段番薯基因組中的序列和農桿菌DNA序列相似度之高,足以讓研究者們確信它們的確是由農桿菌轉移到番薯基因組中的。


          為了確定這種轉移發生的時間,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采集的數百個番薯樣品。這些樣品包括栽培番薯、野生番薯和番薯屬的近緣種。結果發現,研究者所收集的291個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,IbT-DNA2片段則存在于部分的栽培番薯、野生番薯和近緣種中[2]。


          這一結果表明,至少對于IbT-DNA1片段來說,它向番薯轉移的發生時間和栽培番薯開始選育的時間具有高度一致性——只有如此才能解釋為何它會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,在栽培番薯中的農桿菌DNA片段上,還存在幾個完好的、可以表達的基因。通過檢測,研究者發現這些基因可以在番薯的不同組織中進行表達。他們推測,這一基因轉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散開來。


          IbT-DNA1片段在全部受檢測的栽培番薯中都存在,而不存在于其他野生番薯或近緣種的基因組中。圖片來源:http://phys.org



          農桿菌——基因轉移的好手


          那么,農桿菌的DNA片段為何會進入番薯的基因組?這還得從農桿菌的特性說起。


          雖然農桿菌在土壤中廣泛存在,但它更喜歡寄生在植物組織內部——畢竟在植物體內獲取營養,比分解有機物要容易多了。當它們寄生于植物組織內時,還會使植物組織為它們長出諸如瘤或毛狀根等特殊結構。這些結構能產生一類特殊的、植物本身不能合成的氨基酸衍生物(稱為冠癭堿)供農桿菌享用。根據這些結構的不同,農桿菌可以被分為兩大類,根瘤農桿菌(也叫根癌農桿菌)和發根農桿菌。


          科學家們發現,一旦植物開始形成瘤和毛狀根,這些結構的后續生長及冠癭堿的合成都不需要農桿菌的菌體存在就能繼續進行。這意味著,農桿菌是依靠改變組織細胞生長的調控機制來達到誘導特殊結構發育和冠癭堿合成的目的。相關實驗證明,農桿菌體內含有一個巨大的、獨立于細菌本身基因組的環狀DNA。它被稱為致瘤質粒(Tumour Inducing plasmid,Ti質粒,發根農桿菌中則稱為發根質粒,Root hair Inducing plasmid,Ri質粒),上面包含有一段可以移動的DNA序列。而這段序列上,恰恰包含了刺激植物細胞分分裂、合成冠癭堿等功能的多個基因。當農桿菌侵染植物后,這段DNA序列就能被轉移到植物細胞內,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被稱為轉移DNA(Transfer DNA,T-DNA),這就是番薯中那兩段片段名稱的來歷。


          顯微鏡下的農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)圖片來源: International Society for Microbial Ecology


          事實上,農桿菌進行的這種基因轉移并不少見。在煙草和柳穿魚(一種花卉)的基因組中同樣也有農桿菌的T-DNA的身影。而另一種借助T-DNA進行基因轉移的現象更為普遍,只不過它們是借助人工手段進行的:科學家將Ti質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能夠轉移的特性,將質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——這,就是基因改造技術的基本手段。


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



          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-子代這種垂直方向上進行的。然而目前越來越多的證據表明,在漫長的演化過程中,不同個體或群體間水平的基因傳遞(Horizontal Gene Transfer,HGT)可能扮演著同樣重要、甚至更為重要的作用。


          從宏觀角度來看,改變地球生命發展歷史的兩個重要事件——有氧呼吸真核細胞的誕生以及光合作用真核細胞的誕生——就伴隨著兩次大規模的HGT:好氧細菌的基因以及光合細菌的基因分別向真核細胞基因組的轉移。正是這兩次HGT促成了今天真核細胞內的線粒體和葉綠體的存在,而地球所有的動物和植物,也都仰賴這兩次HGT事件,才得誕生于地球之上,構成了五光十色的生物圈。


          而從微觀角度來看,橫向基因轉移帶來的基因改造,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,從而增強了自身對林下弱光的感受能力;而在動物中,植物寄生性線蟲也從侵染植物的細菌中獲得了降解植物細胞壁的基因,從而能夠突破植物細胞壁的屏障[3]。而回到本文所述的例子中,番薯的野生祖先,就可能因為農桿菌造成的水平基因轉移帶來了某些性狀的改變,從而被種植者選擇,進而成為栽培作物,最后走進普羅大眾的生活。


          人類利用轉基因技術對栽培作物實施的基因改造,與自然界已經進行和正在進行的、由HGT帶來的基因改造,其實本質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——選擇出產生了特定性狀的、基因發生了變化的個體,使其能夠更加適應環境,不管這個環境是出于人類需要還是指自然環境。


          從這個角度說,這種基因轉移帶來的基因改造,到底是“天然”還是“非天然”,界限已然模糊?;蛟S正如心理學家羅伯特·斯滕伯格(Robert Sternberg)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。


          圖片來源:abstrusegoose.com


          (編輯:Calo)



          參考資料:

          1. http://www.fao.org/docrep/004/ad452e/ad452e0y.htm

          2. Tina Kyndt et. al. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop, PNAS, 2015,doi/10.1073/pnas.1419685112

          3. 王洽 等,水平基因轉移在生物進化中的作用,科學通報,2014,59(21),2055-2064




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