除了揭示人的基因奧秘外，今天人類科學(xué)研究的重心之一也轉(zhuǎn)向了解讀和揭秘動物與植物的基因。說實話，人類研究動、植物的基因當(dāng)然并非首先是為了動、植物，而是借研究動、植物的基因為人類服務(wù)，就像古老的仿生學(xué)一樣。迄今，人類研究動物的基因取得了不俗的成績，不僅為人類的發(fā)展提供了有益的啟示，而且能讓人類直接受益。

能幫助人類的植物基因

目前，人類只對幾種植物完成了基因組的描繪，其中有擬南芥和水稻。但是，最近研究人員又宣布完成了對世界上第一種樹的全基因組探秘。這種樹叫做毛果楊，它的全基因組草圖已經(jīng)完成并公布到互聯(lián)網(wǎng)上。選擇這種樹的基因作為研究對象是有原因的，因為它們可以提供理想的生物燃料，而以這種樹的基因組為基礎(chǔ)，有可能讓人類獲得更好的新能源。

這個研究是由美國能源部資助的一個大規(guī)模的國際科學(xué)研究小組完成的。毛果楊是一種普通的植物，但生長率迅速，而且是一種潛在的生物燃料。同時，相對于擬南芥和水稻，毛果楊的基因組所含基因相對較少，因而毛果楊是人類破譯的第一種樹的基因組。參與毛果楊基因組破譯的主要研究者之一、美國橡樹嶺國家實驗室的杰拉德·塔斯坎認(rèn)為，迄今生物燃料還難以做到經(jīng)濟(jì)和實用，因為需要大片土地卻只能獲得少量的乙醇燃料(靠榨取植物的纖維素獲得)，而毛果楊的基因組則有助于對此進(jìn)行改善。因為可以通過調(diào)控樹的生化途徑或轉(zhuǎn)基因技術(shù)，讓楊樹長得更大更快，或包含更多比例的纖維素，從而讓它們更容易轉(zhuǎn)化為糖和乙醇。

與此同時，盡管人類已經(jīng)破譯了水稻的基因組，但是對這個龐大的基因組中的許基因的功能還茫然無知。比如，哪些基因是導(dǎo)致水稻高產(chǎn)的基因，哪些是防御病蟲害的基因，又有哪些基因參與了水稻果實的生成和果實成熟后的保存。如果了解這些基因，則有助于水稻的豐收。而水稻是當(dāng)今世界最重要的農(nóng)作物之一，它供給世界上約一半人的口糧。水稻的重要性除了它的高營養(yǎng)性，還在于它的容易栽培和易于收獲。

但是，水稻種植也有難題，比如，糧食產(chǎn)量的提高有多種因素，其中之一是成熟后谷粒的收割和貯存，因為水稻成熟后谷粒就迅速脫落，從而影響產(chǎn)量。而這也與水稻基因有關(guān)。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個公認(rèn)的轉(zhuǎn)錄子(基因)，其中的一個單堿基對的變異控制著谷粒在水稻上的存留時間。日本農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院的小西等人對水稻基因組研究后確認(rèn)了其中的一個稱為qSH1的基因與調(diào)節(jié)谷粒成熟后的保存有關(guān)，它決定著水稻谷粒在成熟后從枝頭掉落的時間長短。如果這個時間長，就有利于水稻的收割和保存。而這個基因也是一個轉(zhuǎn)錄子，同時是擬南芥的一個已知的轉(zhuǎn)錄子的同系物，它參與了植物發(fā)育基因的調(diào)節(jié)。而水稻谷粒在成熟后的脫落受逆向調(diào)節(jié)區(qū)的單堿基對變異的調(diào)控。對這些基因的進(jìn)一步研究不僅有利于今后獲得高產(chǎn)水稻，而且能幫助查明水稻種植的時間和過程。

當(dāng)然，盡管人類還沒有完全破譯小麥的基因組，但是對這種主要供給人類食物的作物也在開始了解它們的基因?？脊虐l(fā)現(xiàn)提示，古人類栽培小麥?zhǔn)窃诩s10000年前。多年來，人們希望培育一種完美的作物以適應(yīng)人類所需的食物營養(yǎng)，但是迄今小麥并沒有達(dá)到這樣的要求，原因在于有一種重要的基因沒有培育到小麥中。現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種彌補這種不足的方法，可以把特有的營養(yǎng)素送回到小麥中。

美國加利福尼亞大學(xué)的喬治·杜波可夫斯基領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究了兩種主要小麥——圓錐小麥的90多個變種，這些品種都是今天人們用作面條、面包的主要原料，它們占全球人們消耗能量的20％。而在這些產(chǎn)品中，由于發(fā)生基因突變，小麥中減少了蛋白質(zhì)、鋅和鐵的含量。針對傳統(tǒng)小麥的這一缺點，研究人員把野生的小麥與家種的小麥進(jìn)行雜交，培育出了比傳統(tǒng)小麥有更高微量元素和多出10％蛋白質(zhì)的新小麥品種。這個創(chuàng)新預(yù)計可以幫助全球20億缺乏重要微量元素的人，讓他們僅僅從食用小麥加工的食品就可以獲得更為充足的營養(yǎng)。杜波可夫斯基等人已經(jīng)檢測了新小麥的質(zhì)量，可以制作更好的面包。新小麥中的基因稱為NAM-B1，來自野生小麥。而且新小麥的產(chǎn)生并非需要轉(zhuǎn)基因，只需要雜交就行了。因此，這一研究也再次證明傳統(tǒng)雜交育種的生命力。

蜜蜂的基因給人啟示

在昆蟲中，蜜蜂是最為優(yōu)秀的物種之一。蜜蜂的聰明、才智、實干和團(tuán)隊精神一直讓自詡為萬物之靈的人類自愧弗如。比如，它們識別食物的本領(lǐng)、它們的團(tuán)隊協(xié)作精神、它們構(gòu)造巢穴的高超技能，都讓人們驚訝不已。如今，研究人員宣布，人類已經(jīng)破譯了蜜蜂的基因組，這為人類了解和學(xué)習(xí)蜜蜂創(chuàng)造了條件。

在2006年10月26日出版的《自然》雜志上，13個國家科研機(jī)構(gòu)的近200名科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊公布了他們測序的蜜蜂基因組圖譜。而早在2002年，美國國立衛(wèi)生研究院就把西方蜜蜂列入了優(yōu)先測序的名單。結(jié)果表明，蜜蜂的基因組有約2.36億個堿基對，還不到人類基因組的1/10，其中所測到的基因超過1萬個。

那么，蜜蜂基因組的測序?qū)θ祟愑惺裁从锰幠?蜜蜂基因組測序負(fù)責(zé)人之一、美國休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的喬治·韋恩斯托克認(rèn)為，對蜜蜂社會行為的理解是蜜蜂基因組測序的最大回報。然而，這是需要更多研究才能解答的問題。迄今，人類只知道蜜蜂的高度組織和明確分工，在每群蜜蜂中，有一個蜂王，以下是無數(shù)看起來一模一樣的工蜂，但卻有明確的工作責(zé)任，如一些照料幼蜂，另外一些負(fù)責(zé)修建蜂巢，另外一些則收集花蜜和花粉。此外，還有負(fù)責(zé)交配維持種群的短命的雄蜂。

當(dāng)然，對蜜蜂基因的破譯可以理解和解釋蜜蜂的一些行為和智力。比如，研究人員在蜜蜂基因組中找到了大約165個與氣味感受器有關(guān)的基因。而蜜蜂的這類基因是在以前已經(jīng)破譯的另兩種昆蟲——果蠅和按蚊——的基因組中的2倍。這說明，蜜蜂需要通過氣味辨識敵我和尋找合適的花朵，所以這類基因較多。

盡管破譯了蜜蜂的基因組，但對蜜蜂的很多行為還是無法有效解釋，這就需要今后找到功能基因來解釋。比如，雖然蜜蜂的嗅覺靈敏，它們的味覺卻相對遲鈍。在蜜蜂的基因組中，只有10個與味覺感受器有關(guān)的基因。但同屬于昆蟲的果蠅有68個這類基因，按蚊有76個。原因在于，蜜蜂幼蟲生活在蜂房里，由成年工蜂喂養(yǎng)，而開花植物進(jìn)化出了一些吸引蜜蜂授粉的機(jī)制，蜜蜂就不需要發(fā)展出更多的味覺感受器。同樣，由于蜜蜂集體生活在蜂巢中，它們負(fù)責(zé)制造外殼(用于保護(hù)自身)的蛋白質(zhì)的基因就較少。

同樣，我們早就知道，工蜂的8字舞和圓形舞是其傳遞信息的特殊語言。對此，奧地利生物學(xué)家卡爾·馮·弗里施進(jìn)行了破譯，由于這個發(fā)現(xiàn)他獲得了1973年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。但是，為什么蜜蜂會有并形成這樣的語言，也許不可能只從基因和大腦神經(jīng)細(xì)胞中找答案。因為，蜜蜂的大腦只有不到芝麻粒那么大，其中只有100萬個神經(jīng)細(xì)胞，相當(dāng)于人類大腦神經(jīng)元數(shù)量的1/100萬。所以，基因和神經(jīng)元也許不能完全說明問題，而語言的發(fā)明和使用又是社會性的，正如人類的語言一樣，因此社會性再加上今后的功能基因的發(fā)現(xiàn)才能徹底解釋蜜蜂的智慧。

另外，從基因組分析，研究人員初步了解了蜜蜂的進(jìn)化和起源。原來，蜜蜂也像人類一樣是起源于非洲再走出非洲。這是美國伊利諾依大學(xué)香檳分校的生物學(xué)家查爾斯·維特菲爾德等人分析蜜蜂基因組的1000多個單核苷酸多態(tài)形(DNA上單個“字母”的突變)而獲得的發(fā)現(xiàn)。而美國康奈爾大學(xué)的蜜蜂專家布萊恩·丹福斯在比較了蜜蜂的5個基因和數(shù)十種野蜂和胡蜂的對應(yīng)基因后，認(rèn)為蜜蜂最有可能起源于非洲。研究人員認(rèn)為，一群蜜蜂從非洲進(jìn)入西班牙，然后遷徙到了中歐和俄羅斯，而另一群蜜蜂則從非洲來到了南歐地區(qū)，然后進(jìn)入亞洲。這兩個蜜蜂群體雖然同在歐洲，它們的親緣關(guān)系卻較遠(yuǎn)。蜜蜂進(jìn)入美洲大陸是在較晚的時候，最早可追溯到17世紀(jì)早期。1956年，南美洲的巴西引入了一種非洲蜜蜂，就是后來著名的“殺人蜂”。這些非洲蜜蜂逐漸取代了當(dāng)?shù)氐摹皻W洲”蜜蜂，成為第3次走出非洲的蜜蜂。

動物基因與人關(guān)聯(lián)

在人類破譯的各種生物的基因組中還有一種最小的基因組。那么，多小的基因組才能產(chǎn)生并維持一種生物的生存?研究人員給出的答案是，一種共生細(xì)菌擁有迄今所記錄到的最小的基因組，共有159662個堿基對和182個編碼蛋白質(zhì)的基因。這種細(xì)菌與一種吸食樹液的昆蟲共生。與此同時，另一個研究小組也發(fā)現(xiàn)一種共生菌的DNA只有約400000個堿基對，雖然不到前一個共生菌的兩倍，但比以前發(fā)現(xiàn)的任何細(xì)菌的基因都要少，而人類基因組則有30億堿基對。這兩個發(fā)現(xiàn)表明，只要有很小一點分子就可以構(gòu)成一種有機(jī)的生命形式。

后一個共生菌基因組的發(fā)現(xiàn)者之一、西班牙瓦倫西牙大學(xué)的安姆帕羅·拉托雷認(rèn)為，這兩種共生菌的基因組如此之小，以致今天的DNA合成技術(shù)就足以合成它們。這意味著將來可以通過類似的技術(shù)合成新的藥物和燃料。不過，唯一的問題是這些細(xì)菌是共生的，離開了共生環(huán)境它們能否生存還是另一個問題。而破譯人類基因組的領(lǐng)軍人物之一、美國的克雷格·文特爾則認(rèn)為，利用這種最小的基因組可能創(chuàng)造新生命，比如合成可以產(chǎn)生燃料如氫和可更新原材料的細(xì)菌。

研究人員通過對狗和狼的基因的異同還發(fā)現(xiàn)了某種癌癥的起源，而這將有利于診斷和治療人類的癌癥。研究人員發(fā)現(xiàn)，狗的一種通過性傳播的惡性腫瘤可以追蹤到它們的狼祖先，這個祖先是200多年前生活在亞洲的一種狼或狗。大多數(shù)癌癥都隨時間的發(fā)展而惡化，但狗的這種腫瘤會自然好轉(zhuǎn)。大多數(shù)癌癥是在一個有機(jī)體自身的細(xì)胞生長失控時形成的。狗的經(jīng)性傳播的腫瘤(CTVT)是在狗進(jìn)行性行為時通過腫瘤細(xì)胞在狗到狗之間的轉(zhuǎn)移而傳播。這種腫瘤攻擊狗的面部和生殖器，但通常會在幾個月內(nèi)好轉(zhuǎn)。CTVT可以發(fā)生于日本、美國、歐洲、中國、遠(yuǎn)東、中東和部分非洲地區(qū)的狗身上，但研究人員認(rèn)為它們可能有單一的來源。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院的克勞迪奧·麥幾亞和其同事檢測了16只在意大利、印度和肯尼亞因患CTVT而受治療的狗的腫瘤細(xì)胞的DNA，這些狗之間沒有任何聯(lián)系。為了找到癌癥的來源，研究小組研究了來自85種不同血緣的400只狗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)癌癥細(xì)胞的DNA在當(dāng)代的狼中非常普遍。通過計算遺傳差異，研究人員認(rèn)為這種腫瘤至少有200年之久。當(dāng)CTVT感染一只新狗時，腫瘤會分泌一種化學(xué)物質(zhì)抑制狗的免疫系統(tǒng)，因而狗無法抵御這種傳染。但數(shù)月后，狗的免疫系統(tǒng)通常就能驅(qū)逐這種入侵者了。因此，研究人員認(rèn)為，如果能弄清狗身上的這種癌是怎樣和如何變化的，可能幫助人類治療癌癥。

當(dāng)然，破譯生物基因組還可以對遠(yuǎn)古動物進(jìn)行研究，以了解生物的起源和進(jìn)化，比如讓古代的恐龍復(fù)活就一直是科研人員的一種愿望。但是，研究人員對古代另一種動物猛犸的基因研究卻有另外的發(fā)現(xiàn)。對永久凍土中猛犸的DNA分析發(fā)現(xiàn)，這種4.3萬年前的史前動物有些的毛發(fā)顏色可能是淡黃色的，如同人的金發(fā)碧眼。過去教科書上描繪的猛犸的皮毛顏色是典型的棕色。但是，它們的顏色很有可能呈現(xiàn)為淺棕色和金棕色。一直以來，研究人員就懷疑猛犸的皮毛顏色可能是淺黃的。但是，這種淺黃是遺傳的還是因為它們滅絕后長期埋在凍土層后的結(jié)果?

對此，德國馬克斯-普朗克研究所的進(jìn)化人類學(xué)專家邁克爾·霍夫雷特領(lǐng)導(dǎo)的研究小組不是從毛發(fā)本身來尋求答案，而是從尋找遠(yuǎn)古時期的猛犸的骨頭來求解。他們從西伯利亞獲得了一塊距今有4.3萬年之久的猛犸骨頭，從骨頭中提取了部分DNA，發(fā)現(xiàn)其中含有一種重要的稱為Mclr的色素基因。絕大多數(shù)猛犸的基因表現(xiàn)為兩種拷貝，每一種都來自親代?；舴蚶滋氐热税l(fā)現(xiàn)，猛犸的兩個Mclr基因稍稍有些不同。在研究這兩個基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)時，他們發(fā)現(xiàn)其中一個產(chǎn)生棕褐色色素的功能遠(yuǎn)比另一個更好。這就意味著遠(yuǎn)古猛犸毛皮的顏色有些可能是淺黃或金黃的，而且是由基因決定的。這就更能說明人和生物的體表顏色確實由基因控制。

上述方方面面的基因發(fā)現(xiàn)只是基因研究中的滄海一粟，而研究動、植物的基因最終目標(biāo)都是為了揭示自然的奧秘，并為人類和其他生物服務(wù)。

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