玉米从彩色果粒中捕捉跳跃基因

史军

现如今，玉米是世界三大粮食作物之一，地位仅次于水稻和小麦。这样的“光环”让我们忽略了这种植物在科学发展史上，特别是遗传学发展史上作出的突出贡献。毫不夸张地说，玉米的一些特性彻底改变了人类对于脱氧核糖核酸（DNA）的认识，这是一个怎样的故事呢？

古老的美洲食物

人类种植和食用玉米的历史相当悠久，在史前时期，中南美洲的印第安人就开始种植和食用玉米了。可以说，正是玉米这种植物撑起了南美洲的人类文明。玉米之于南美人，就像水稻之于东亚人、小麦之于西亚和欧洲人一样重要。随着意大利航海家哥伦布发现美洲大陆，玉米的足迹也逐渐遍布世界各地，成为不同人群的主食。

在歐洲最早的药典——《佛罗伦萨药典》中有关于玉米的描绘：“在贫穷年代，人们会嚼玉米秆和高粱秆来获取糖分。”

不过，如果我们以今天粮食作物的标准审视玉米的祖先——类蜀黍（大刍草），那它可是一点可取之处都没有——一棵类蜀黍上有很多分枝条，每个分枝条上都有一些细瘦的穗子（就像我们今天看到的狗尾草），穗子上只有寥寥数个果粒，更要命的是，每个果粒都被硬壳包裹着。

毫无疑问，类蜀黍的这些性状都是符合达尔文自然选择理论的：更多保护稳妥的种子会带来更多后代。但是，看到这个模样的类蜀黍，大概不会有人能想到，人类祖先会花力气去啃这些费牙的野草，更不用说把它们当作宝贝种在农田里了。

不过，作为玉米祖先的类蜀黍产生了两个关键的基因突变：1号染色体TB1发生基因突变，突变体不再产生分枝条，而是只有一根直立的茎秆，这样就可以把更多的营养投入籽粒生产中，产生更多可食用的饱满玉米粒。更关键的是，4号染色体TGA1发生基因突变，这个突变导致类蜀黍的硬壳消失，突变体的食用性大大提升，人类再也不用想办法对付那个大大的硬壳了。

那么，为什么玉米的祖先恰好能变成人类喜欢的样子呢？

这就需要讲述另外一个关于彩色玉米粒的故事了。

基因可以“跳”起来

在20世纪40年代之前，遗传学界有一个共识，那就是生物的DNA序列是恒定的。简单来说就是基因在染色体上的位置是一成不变的。但是，一位叫芭芭拉·麦克林托克的美国科学家发现了一种特殊的现象，在杂交试验中，有一些基因在染色体上的位置会发生改变，就像是基因在染色体上跳来跳去一样，这就是跳跃基因（也被称为转座子）。麦克林托克当时用到的研究材料是一些长期通过自交得到的玉米品系。这个品系属于自花授粉，它们的基因组成应该是一成不变的。但是，麦克林托克在检查基因在染色体上的位置时，发现有一些基因并未出现在预期的位置。也就是说，这些基因“跳”到了一个新位置。更有意思的是，这种位置变化会影响植物的外在表现——玉米叶片出现了特定的白色斑点，而且位置相似。

图为跳跃基因的发现者美国科学家芭芭拉·麦克林托克。她因此项研究成果获得诺贝尔生理学或医学奖（图片来源/维基百科）

后来，麦克林托克发现跳跃基因不仅会影响玉米叶片的颜色，还会影响玉米籽粒的颜色。例如，当某个基因发生跳跃时，玉米籽粒中合成花青素的基因就会打开，这些玉米籽粒就会变成彩色。而且，基因是否会发生跳跃还会受到其他基因的控制。

从“垃圾DNA”到“淘金胜地”

20年前的教科书对于DNA序列功能的阐释还停留在“编码DNA”和“非编码DNA”阶段。当时的科学家认为，DNA是遗传信息的载体，而想要执行功能，就必须由DNA产生蛋白质，最终实现生物学的功能。

值得关注的是，生物的DNA上存在很多所谓的“垃圾片段”，因为这些基因不能指导蛋白质的合成，自然就被认为没有什么实际用途。由于当时的科学界并不清楚这些“非编码DNA”的实际功能，于是在1972年，美国加州理工学院的科学家大野·乾赋予它们一个名称——“垃圾DNA”。

 跳跃基因会影响玉米籽粒的颜色

然而，随着分子生物学的发展，人们发现，这些所谓的“垃圾DNA”发挥着难以想象的作用，甚至比编码DNA更重要。比如跳跃基因就发挥着基因表达开关的作用，它们可以决定玉米籽粒中花青素基因是否打开。

所谓的“垃圾DNA”发挥着难以想象的作用

2009年，全新的玉米基因组测序结果出炉。令人吃惊的是，玉米基因组中有85%的序列都属于麦克林托克发现的跳跃基因，这也就解释了玉米的祖先——类蜀黍，为什么会有那些匪夷所思的变化，毕竟抽奖的次数多了，总会有撞大运的时刻。

其实，在人类基因组中，也有98%的信息是看似无用的“垃圾”。而这些非编码DNA往往执行着重要的生命功能。当年的“基因垃圾场”已经成为科学家们的“淘金胜地”，对于非编码DNA的深入研究，必将把人类对生命的认识推升到全新的高度。

知识拓展 

水果玉米是转基因品种吗？

市场上除了五颜六色的彩色玉米，备受大家关注的还有水果玉米。有些水果玉米可以生吃，一口咬下去，甜蜜的汁液瞬间会在口腔中爆开，那一刻不由得让人怀疑，一定是有人用高技术手段培育出了这种甜玉米。

那么，转基因技术是不是被应用在水果玉米中了呢？

实际上，水果玉米是一种超级古老的品种。1779年，欧洲殖民者从美洲的易洛魁人那里收集的玉米，因为具有多汁清甜的特性，很快就风靡美国中南部区域，这是有文献记载的最早的甜玉米品种。所以，水果玉米并不是转基因品种。