圖蟲(chóng)創(chuàng)意

收到心愛(ài)的人送上一束美美的玫瑰花，是讓所有女生都開(kāi)心的事情。但是，如何把這些花朵插進(jìn)花瓶，又不被上面的刺刺傷，就是一個(gè)讓人撓頭的事情了。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)古老的基因家族，或許能解決這個(gè)問(wèn)題。

刺作為一種對(duì)抗食草動(dòng)物的防御策略，是植物發(fā)展出了的有效裝備。莖和葉的上尖刺都是典型的物理防御裝備。這些尖刺的來(lái)源各不相同，有些是退化的枝條變形而來(lái)，皂莢樹(shù)上密集的莖刺就是這樣來(lái)的；有的是特殊的葉片及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)，小檗的尖刺被認(rèn)為是特化的葉片，而大戟科植物霸王鞭上的尖刺就來(lái)源于托葉；還有一些是長(zhǎng)在莖皮之上的皮刺，我們?cè)谠录旧虾颓炎由吓龅降拇?，就是此種類型。皮刺的外形跟葉刺、莖刺很像，但實(shí)際上完全不一樣，它們與莖的內(nèi)部毫無(wú)關(guān)系，著生的位置很混亂，而且很容易剝離，剝離后的斷面也很光滑。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，皮刺在更多更廣泛的植物類群中都有分布，并且是在演化過(guò)程中多次出現(xiàn)，也就是說(shuō)，植物在面對(duì)食草動(dòng)物選擇壓力的時(shí)候，這種長(zhǎng)刺的潛力就會(huì)展現(xiàn)出來(lái)。那么，皮刺的生長(zhǎng)究竟與什么基因有關(guān)，它們又是如何控制皮刺生長(zhǎng)呢？

美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室取得了一項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)：經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化分離，植物長(zhǎng)刺，或是因?yàn)樵醋酝粋€(gè)古老的基因家族。研究人員針對(duì)茄屬植物開(kāi)始分析，因?yàn)檫@個(gè)家族在栽培過(guò)程中，形成了眾多有刺野生種和無(wú)刺栽培品種共存的局面。最終，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為“孤獨(dú)的家伙”（LOG）的基因家族與刺有關(guān)。LOG基因通常負(fù)責(zé)制造一種導(dǎo)致細(xì)胞分裂和擴(kuò)張的激素，某些LOG基因突變會(huì)使茄子植株上的刺消失。

在LOG基因家族中，一個(gè)名為PRICKLELESS（PL）的特定基因經(jīng)歷了獨(dú)立的剪接位點(diǎn)突變，導(dǎo)致了這個(gè)基因失去了功能。在多刺茄屬植物中，野生無(wú)刺物種從有刺祖先中起源了大約30次。在這30次刺的喪失中，近一半也存在PL基因的破壞。研究人員，通過(guò)基因編輯技術(shù)，破壞了，多種物種中的PL基因。除了導(dǎo)致刺的喪失外，并沒(méi)沒(méi)有觀察到植株有其他形態(tài)或發(fā)育上的變化，最終得出結(jié)論，PL基因就是掌控皮刺生長(zhǎng)的基因。

那么科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)并確定一個(gè)基因的相關(guān)功能呢？關(guān)于遺傳因子控制生物特性這件事兒，最早是由孟德?tīng)柼岢龅模?865年2月的奧地利自然科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議上報(bào)告了自己進(jìn)行的植物雜交研究結(jié)果，第二年在奧地利自然科學(xué)學(xué)會(huì)年刊上發(fā)表了著名的《植物雜交試驗(yàn)》論文，在文中，孟德?tīng)栮U述了遺傳學(xué)的兩項(xiàng)基本規(guī)律——基因的分離定律和基因的自由組合定律。同時(shí)還特別指出指出，生物的所有性狀都是通過(guò)遺傳因子來(lái)傳遞的，遺傳因子是一些獨(dú)立的遺傳單位。但是在隨后的四十多年時(shí)間里，此項(xiàng)研究基本上是停滯不前。

直到進(jìn)入20世紀(jì)，摩爾根利用果蠅的相關(guān)研究，驗(yàn)證并發(fā)展了孟德?tīng)?，關(guān)于基因的研究才進(jìn)入了快車道。1953年，沃森和克里克明確了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是，其分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，特別是堿基對(duì)的排列順序，我們很難窺視到。傳統(tǒng)上，科研人員是基于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)反推DNA的序列組成，這是一項(xiàng)龐大的且精準(zhǔn)性較差的工作，所以，關(guān)于基因的研究一直十分緩慢。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著DNA測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，我們已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的生物全基因組圖譜，這就相當(dāng)于擁有了一套完整的地理地貌地圖，想要尋找獨(dú)特風(fēng)景的時(shí)候，再也不用無(wú)的放矢開(kāi)盲盒了。通過(guò)比較突變個(gè)體和正常野生型個(gè)體之間的基因序列差別，我們就能很快定位相應(yīng)的控制這些性狀的基因。一場(chǎng)在試管里的荒野冒險(xiǎn)，變成了在計(jì)算機(jī)里的找不同游戲，對(duì)于我們發(fā)現(xiàn)新的基因，起到了了重要作用。

發(fā)現(xiàn)新的基因之后，如何驗(yàn)證這個(gè)基因的功能呢？到今天，已經(jīng)有了越來(lái)越多的分子生物學(xué)工具和方法，幫助我們了解基因的具體功能，其中最常用到的就是RNA干擾技術(shù)（RNAi）和基因編輯技術(shù)。

先說(shuō)RNAi技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是設(shè)計(jì)并合成出與基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA互補(bǔ)的RNA序列，二者結(jié)合后，就會(huì)被細(xì)胞內(nèi)的酶切分講解，從而使目標(biāo)基因失去功能?；蛞惨虼硕聊?，如此一來(lái)，就能驗(yàn)證基因的功能了。

但是，設(shè)計(jì)和合成DNA序列，轉(zhuǎn)錄RNA費(fèi)時(shí)費(fèi)工，新的基因編輯技術(shù)大有取而代之的勢(shì)頭。

目前CRISPR-Cas9已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室常用的基因編輯工具。這種技術(shù)是基于細(xì)菌和古細(xì)菌在長(zhǎng)期演化過(guò)程中形成的一種適應(yīng)性免疫防御，人家本來(lái)是用來(lái)對(duì)抗入侵的病毒及外源DNA 的。而CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)為研究人員提供了一把鋒利地可以切割DNA的解剖刀。通過(guò)“切除”相應(yīng)的DNA序列，就可以驗(yàn)證相關(guān)基因的功能。而在本次關(guān)于刺的研究中，科學(xué)家就是通過(guò)基因編輯技術(shù)，確證了LOG基因在皮刺生成過(guò)程中的決定性功能。

這個(gè)基因發(fā)現(xiàn)之后對(duì)我們有啥用呢？第一，當(dāng)然是改造農(nóng)作物了，消除一些植物的尖刺（比如樹(shù)莓和玫瑰）可以極大方便相關(guān)的管護(hù)和采收工作；與此同時(shí)，我們可以生產(chǎn)不長(zhǎng)尖刺的月季，可以更好地滿足消費(fèi)者的需求。第二，通過(guò)基因編輯的手段，可以創(chuàng)造出無(wú)刺的植物個(gè)體，把這些個(gè)體投入自然環(huán)境中，可以幫我們了解，植物的皮刺在生態(tài)學(xué)和生物演化上的真正意義。

不管怎么說(shuō)，沒(méi)有刺的月季上市，只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題了，值得我們期待。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：史軍

審核：顧壘 首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 副教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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