彩色玉米基因:旋轉,跳躍,我不停歇?

2020-09-05 光明網

【諾獎中的「基因」】

如果你經常逛農貿市場,那麼你會發現很多玉米是彩色的,這些玉米不僅外觀好看,營養方面也比普通玉米更勝一籌。在感嘆大自然的神奇又或是育種技術強大的同時,大家是否知道絢麗的彩色玉米與一項諾貝爾獎有著緊密聯繫?

各種各樣的彩色玉米

1983年的諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了一位叫芭芭拉▪麥克林託克(Barbara McClintock)的女科學家,以表彰她在發現「跳躍基因」(現在叫轉座子)現象上所做出的傑出貢獻。麥克林託克是歷史上第一位獨立獲得諾貝爾生理學或醫學獎的女科學家,也被尊稱為「玉米夫人」,她發現的轉座子,顛覆了我們對於基因的傳統認知,極大地促進了生物和醫學領域的發展。轉座子的發現與DNA雙螺旋結構的發現一併被公認為20世紀遺傳學史上兩項最重要的發現。

諾貝爾獎獲得者芭芭拉▪麥克林託克女士

早期教育和研究

1902年,麥克林託克出生在美國康乃狄克州的哈特福德,父親是一名醫生,母親則來自波士頓中上層家庭,是個詩人,也是個畫家,家庭中的文化氛圍為麥克林託克的成長打下了良好基礎。兄弟姐妹四人中麥克林託克總是喜歡獨自一人,經常在一個空房間裡讀書數小時,且成年後的她也總是習慣獨處,安靜的性格,似乎冥冥中指引著她走向科學研究的道路。她對遺傳學的熱愛始於1921年,當時她在康奈爾大學攻讀遺傳學,由植物育種家和遺傳學家哈奇森(C.B. Hutchison)指導。當時的哈奇森對麥克林託克印象深刻,就邀請她參加了研究生遺傳學計劃,在1923年,麥克林託克獲得了學士學位,又在1925年獲得了碩士學位,在1927年獲得了博士學位。在當時,這對於一名24歲的女性來說是相當了不起的。

在康奈爾大學獲得博士學位後,麥克林託克留校任教,並在植物育種系組建了一個植物育種和細胞學小組,從事玉米染色體的研究。在這段時間裡,麥克林託克開發了染色技術,可以幫助可視化玉米染色體,這些技術對於她發現基因「跳躍」事件大有裨益。到1929年,她已經充分完善了這些技術,可以對玉米的10條染色體進行區分,使遺傳數據與染色體行為聯繫起來。1941年6月,麥克林託克進入美國紐約的冷泉港實驗室任職,繼續從事她所熱愛的玉米遺傳研究,就是在這裡,正式開始了偉大的「跳躍基因」發現之旅。

玉米基因「跳躍」的發現

從1932年開始,麥克林託克就在印度彩色玉米中觀察到了玉米籽粒與葉片的色斑無法穩定遺傳的現象,而且色斑的大小和出現的時間也是各有不同。為了找到這個問題的答案,麥克林託克培育出帶有某條特定染色體的玉米植物,該染色體的存在會導致隱性棕色表型(bz基因),而該玉米原本具有的染色體編碼白色顯性表型(無色,C基因)。根據正常的遺傳理論,後代應該顯示出全白色的籽粒,但是部分籽粒顯現出了白色帶棕色斑點的性狀。

帶斑點的玉米籽粒

麥克林託克將意外的變化歸因於染色體斷裂,使染色體丟失一個基因,她稱這種現象為解離,發生在她稱為Ds的染色體基因座上,此外,她認為這種斷裂是由於「跳躍」活化劑(Ac)引起的,Ac促使Ds「跳躍」,Ds的移動可能導致被插入基因C產生突變而不能正常行使功能,則隱性基因得到優勢,將顯示為棕色,而Ac控制Ds從突變的C基因處「跳走」又可以恢復C基因的功能,顯示白色,所以,玉米籽粒白色背景上棕色斑點的數量取決於籽粒發育期間基因「跳躍」的時間。

麥克林託克的Ds-Ac「跳躍」調控理論

獲獎的曲折歷史

1951年,麥克林託克在冷泉港研討會上介紹了她的基因「跳躍」理論,她認為遺傳物質結構和順序不是靜態的,而是經過重新排列的,並且在發育過程中可能會發生變化。會議的聽眾認為她的研究結果晦澀難懂。麥克林託克的研究與當時的遺傳現象理論不符,因為遺傳物質在20世紀60年代之前被認為是靜態實體。所以,麥克林託克的實驗結果一直未受到重視,但是她始終堅持著自己的理論。

就這樣,漫長的30年過去了,鮮有人知道她在冷泉港的實驗室裡每天都背負著什麼樣的心情。但是,隨著其他科學家在細菌和真菌以及高等動植物中相繼發現了類似於基因「跳躍」的現象,被雪藏的麥克林託克的「基因跳躍」理論才開始得到科學界的認可與重視,世人無不驚嘆於她行走在科研前端的思想和堅定不移的信念。終於,在1983年,瑞典皇家科學院諾貝爾獎學金評定委員會把該年度的諾貝爾生理學或醫學獎授予這位已經81歲的堅韌的科學家,讓她在有生之年看到了科學界對她成果的最高認可。9年後,也就是1992年9月2日,麥克林託克在冷泉港去世,終年90歲。

麥克林託克的成果證明了DNA遠比科學家最初想像的要複雜,顛覆了人們對遺傳物質的認知。現在我們知道可移動的轉座子序列約佔玉米基因組的85%,佔我們人類基因組的65%以上,轉座子在發育中的精子和卵細胞中繞基因組跳躍,對進化十分重要。但是,他們的「跳躍」也可能引起新的突變,目前生物體約10%的突變是由轉座子插入其他基因所引起,可能會導致諸如血友病和癌症等疾病的發生,而目前關於轉座子運動是何時何地在發育中的生殖細胞中發生的知之甚少。除了與疾病相關,轉座子還可以被用來構建突變體庫,比如彩色玉米的培育和不同形狀番茄的培育等,具有極其廣闊的研究前景。

麥克林託克把一生都奉獻給了她所熱愛的科學事業,她是偉大的,也是孤獨的,但是,科學正是在這種大膽的猜想與求證中一步步走向未來。

出品:科普中國

作者:徐樂天(湖北大學生命科學學院副教授)

監製:中國農學會 光明網科普事業部

相關焦點

  • 如果你想要「高顏色值」的玉米來這裡尋找跳躍基因
    彩色玉米突變體圖片回答者實習生雷浩然,我們的記者張曄不知您是否注意到從蔬菜市場購買的一些玉米來自黃燦燦為了育種的目的,不僅要抑制轉座子跳躍引起的表型不穩定性,還要利用轉座子跳躍選擇優良品種。最近,經過7年的合作,江蘇省農業科學院種質資源研究所的趙涵研究員團隊、中國農業大學和上海大學的宋任濤教授團隊建立了世界上最大的玉米轉座子插入資源庫,為全球玉米基因組研究提供了重要的遺傳資源。相關研究報告最近發表在國際著名學術期刊《植物生理學》上。
  • 美國科學家成功繪製玉米「跳躍」基因
    根據科技部網站消息,日前,玉米「跳躍基因」被美國加利福尼亞大學戴維斯分校和冷泉港實驗室的科研小組成功繪製。這一成果將最終有利於玉米的繁殖和生產。轉座元件或轉座子是可以移動基因組內位置(「跳躍基因」)的DNA序列。
  • 想要「高顏值」玉米,來這裡找跳躍基因吧
    這一獨特的基因屬性,引起了科學家們的興趣。為了育種需要,我們不僅要抑制轉座子跳躍帶來的表型不穩定,同時也要利用轉座子的跳躍選育優良品種。近日,江蘇省農業科學院種質資源所趙涵研究員團隊、中國農業大學宋任濤教授團隊和上海大學經過7年合作,創建了目前世界上最大的玉米轉座子插入資源庫,為全球玉米基因組研究提供重要遺傳資源。
  • 水果甜玉米糯玉米是轉基因玉米嗎?如何雜交出彩色玉米?
    雖然國外也有部分公司出售轉基因玉米檢測試紙,但其檢測結果的準確性不太清楚一、水果玉米和糯玉米的起源:首先,據百科資料顯示,水果玉米和甜玉米的起源都是和基因突變有關。至於甜玉米的起源,現代甜玉米的祖先還不知道。有的說當前的甜玉米來自 Maiz Dulce,因此與 Chullpi有關,也有人說甜玉米的當今起源是北美洲甜玉米,是普通大田玉米中的一個su基因突變。
  • 「基因剪刀」遇見跳躍基因會怎樣?
    而生物界的相遇卻往往讓人感慨:相見恨晚——張鋒,一位「八零後」科學家,因發明最有效的基因編輯方法成名,被稱為CRISPR之父。芭芭拉·麥克林託克,很多人並不熟悉,但她所在的冷泉港實驗室被認為是思想最活躍的科研聖地。
  • 麥克林託克與「跳躍基因」
    麥克林託克與「跳躍基因」 2016年05月10日 11:02 來源:中國社會科學報 作者:郭曉強 字號 內容摘要:麥克林託克與「跳躍基因」。
  • 轉基因玉米從外觀無法辨別,原因為何?彩色玉米不是轉基因嗎?
    正常情況下,轉基因玉米是無法通過外觀來辨別出來的,先來了解下是轉基因技術?是利用現代生物技術,將人們期望的目標性狀基因,經過人工克隆,通過轉基因操作轉到,從而實現改良受體生物原有的性狀或賦予其新的優良性狀。
  • 旋轉、跳躍、我不停歇——《多向思考者》的內心世界
    當女朋友說:小歐,你今天怎麼沒有給我打電話? 他會想到:怪不得今天她一直不回我信息,看來是生氣了。現在她在責問我,然後就要發脾氣了。上次是買花請吃飯加送包才哄好的,這次該怎麼辦?可以想像,如果對生活中的每一件事都想很多的話,會時時感到被消耗,人會覺得很累、很有壓力。
  • 「基因剪刀」遇見跳躍基因 會擦出什麼火花
    「基因剪刀」遇見跳躍基因 會擦出什麼火花  解碼基因編輯  演藝界宋仲基宋慧喬的分手讓人直呼:只願曾經未相遇。而生物界的相遇卻往往讓人感慨:相見恨晚——  張鋒,一位「八零後」科學家,因發明最有效的基因編輯方法成名,被稱為CRISPR之父。
  • 這樣的玉米敢吃嗎,怎麼變成彩色的,是不是轉基因
    彩色玉米在農村是一個新興的種植項目,彩色玉米的營養價值比普通玉米要高很多,而且比較適合鮮食,所以相對普通玉米而言,彩色玉米的前景還是比較好的。彩色玉米也分為很多種,有朝鮮的紫金香玉米,巴西的五彩玉米,泰國的仙子玉米,日本的白如雪甜糯玉米和印度的紅玫瑰爆裂玉米等等。
  • 跳躍基因竟會挾持正常細胞,入侵卵子!
    導致玉米粒出現不同顏色的是一種「跳躍基因」,名叫「轉座子(transposon)」,它們是一類能夠在基因組中進行「跳躍」移動的DNA序列,在生物中很常見,除了玉米粒之外,還有葡萄的顏色(紫色,綠色,紅色等),血橙果肉的顏色(淺橙色到深紅),番茄的形狀等等,都與轉座子和基因之間的作用有關。
  • 芭芭拉·麥克林託克:為「跳躍基因」孤軍奮戰—新聞—科學網
    1902年出生的麥克林託克,是美國著名植物學家、遺傳免疫學家,1927年在康奈爾大學農學院獲得植物學博士學位後,終生從事玉米細胞遺傳學方面的研究。她的「跳躍基因」學說指出:基因可以從染色體的一個位置跳躍到另一個位置,甚至從一條染色體跳躍到另一條染色體。
  • steam免費遊戲:旋轉跳躍不停歇,Himno給你簡單的快樂
    昨天燒腦的《文字獄》不知道大家體驗之後有什麼感想,造句水平有沒有提升?燒腦過後,今天給大家推薦一款輕鬆愉悅的休閒遊戲《Himno》。這是一款單純的平臺跳躍探索遊戲,沒有劇情,不需要解密,遊戲由一個個隨機生成的小房間組成,每個房間都不相同,玩家只需要在地圖裡不停地跳躍,收集經驗,找到傳送門,進入下一關。遊戲的畫面是簡約清新的風格,配樂也很有感覺。有人說這遊戲就是漫無目的地跳躍,完全不知道自己在幹什麼。
  • 跳躍:「跳躍基因」如何改變基因編輯
    但是這個過程並不總是有效的——有時候修復是不完整的,或者是不正確的,切割引起的損傷反應可能會產生負面的副作用。去年,一項研究發現,這種技術「經常」導致「廣泛的」意想不到的基因突變。但周四發表在《自然》(Nature)雜誌上的一項新研究提供了一種全新的方式來編輯DNA中的基因:「跳躍基因」,也被稱為轉座子,可以有效地插入DNA,而不需要切割。-「驚人的精確度」-跳躍基因「具有直接插入或整合……沒有DNA雙鏈斷裂。
  • 基因跳躍 物種之間「徵服戰」
    原標題:基因跳躍 物種之間「徵服戰」   看似無關聯的兩段基因 「千裡」之外也能相互調控   一些生物現在的狀態很可能是你我進化到某個階段的「鏡子」。   研究顯示,細胞器和細胞核之間的基因也會發生跳躍,跳躍可能是它們在進化中相互「徵服」的一種方式。王東說,相隔遙遠無關聯的基因可以進行調控,一段基因從A基因組跳躍到B基因組,可能會使得B基因組的某個基因沉默,也很可能是跳躍過去的這段基因被沉默了。這本質上是物種之間的「徵服戰」。   美國密西根大學的一項研究佐證了這一點。
  • CRISPR編輯系統升級 利用「跳躍基因」精確插入DNA片段
    頂尖學術期刊《科學》最新上線發表的一篇論文中,Broad研究所、麻省理工學院McGovern腦研究所的張鋒教授與其同事帶來了一款全新的CRISPR基因編輯工具,利用「跳躍基因」,讓DNA片段插入基因組變得更加容易。大腸桿菌中的實驗結果顯示成功率達到80%,遠高於經典CRISPR系統。
  • PNAS:揭秘罕見「跳躍基因」
    許多組成我們基因組的DNA都能夠追溯到轉座元件/跳躍基因,在哺乳動物體內閒置著大量的這種元件。Johns Hopkins大學的研究人員在蝙蝠體內發現了一種新跳躍基因,是首個在哺乳動物中依然具有活性的剪切-粘貼式跳躍基因。這一發現發表在美國國家科學院院刊PNAS雜誌的網站上,不僅為人們提供了研究進化的新方法,也將有助於開發基因治療的新工具。
  • 「轉座子」--基因小偷家族
    20世紀40年代,芭芭拉(Barbara McClintock)在研究玉米種子顏色的時候發現了轉座子
  • 旋轉跳躍不停歇的動態雕塑,考爾德之外的七種可能
    牆上映射出交錯的光影(工作室的兩側都有窗戶),當時我就想,如果它們能動起來該有多好。雖然蒙德裡安對這個想法不以為然。」當蒙德裡安繼續他的繪畫創作時,考爾德開始嘗試用金屬零件組成色彩斑斕、搖擺不定的雕塑。起初,他用曲柄和馬達讓各部件動起來。後來,他摒棄了這些設備,開始藉助更為自然的推動力:空氣、光、溼度和觸摸。
  • 玉米蛇棕櫚基因,你可能不知道的發現和命名故事!
    玉米蛇棕櫚基因,一種表現形式與隱性基因相似的不完全顯性(Incompletely Dominant)基因,也被認為是露西表型的一種變體。它不僅是玉米蛇最新被發現的基因之一,也因為其特別的身體表現,在粉紅或純白底色上飄散著繽紛彩片,迅速成為了爬寵圈炙手可熱的玉米蛇基因和品系。那麼,是誰最先發現了這種玉米蛇基因?