科學家發現植物無性生殖的基因轉換

作者 | 發布日期 2016 年 02 月 20 日 0:03 | 分類 生態保育 , 生物科技 , 科技教育 follow us in feedly
FLICKR J Brew

人類和其他動物的繁殖,和大多數植物的繁殖其實是同樣一件事。繁衍後代的過程被稱為有性生殖,需要雄性與雌性各自的角色特性才能順利進行,但在更久以前的生物,以及現在還存在的許多較低階生物體,例如細菌及許多藻類蘚苔類,其繁殖不需要經由兩種性別基因重組的過程就能進行,也就是所謂的無性生殖。但是,在生物之中,為什麼會有這兩種系統的差別,又是怎麼發展出來的?



以色列特拉維夫大學以及德國佛萊堡大學共同合作的最新研究,為此提供了新的解釋。他們發現蘚苔類能夠觸發不需要異體受精、即能使子代發育的基因。在這項研究中,研究團隊找到了小立碗蘚(Physcomitrella patens)能夠自體繁殖的 BELL1 基因,當這個基因被活化,小立碗蘚的胚胎不需要經過受精,就能夠發育長成功能健全的成熟小立碗蘚。

這項研究由身為特拉維夫大學 Nir Ohad 教授以及佛萊堡大學 Ralf Reski 教授合作完成,並發表於 Nature Plants 期刊。並且,Ohad 教授認為這項研究有助於推行農業現代化,因為科學家們現在有辦法透過無性繁殖的方式製造重要的作物種子,並讓農民得以使用。

蘚苔類會產生卵子及能夠移動的精子,在這項研究之中被做為基礎的植物模型,幫助科學家們了解自體繁殖的機制。經過無性生殖的植物所產生的子代,會帶有同樣基因型,而這項研究成果在分子層面解釋了無性生殖(又叫單性生殖)是怎麼發展出來的。

在繁殖過程中,一旦精子與卵子結合,一系列和繁殖相關的基因會被活化,使得胚胎得以發育,最終成長為一個新的個體。而到目前為止,我們仍不知道在這個過程中是否源自於某個重要基因轉換。

研究團隊確認了蘚苔類的 BELL1 基因就是讓胚芽形成並發育的調控基因。身為繁殖發育相關的表觀遺傳調控專家的 Ohad 教授認為,這個基因在演化的過程中被保存了下來,變化不大。20 年前,他在美國加州大學柏克萊分校 Robert Fischer 教授的研究團隊中,就曾參與找到第一個 BELL 基因的研究,這項發現對於高生產量農作物的生產可能有著重要的意義。

在這項研究中,科學家們利用基因工程的作法活化蘚苔類的 BELL1 基因,發現在這樣的情況下,胚芽能夠自然發育。更令人驚訝的是,這些胚芽最終都能長成功能完好的孢子體。而他們的孢子囊也能夠產生孢子,在之後發展成新的成熟蘚苔類個體。

這項研究指出,BELL1 基因所表達出的蛋白質是屬於一種被稱為同源框(homeobox)的轉譯調控因子,能夠調控下游的基因的活化與否,而在人類及動物的基因中都存在著這樣的同源框,能夠控制關鍵的發育程序。然而,與在人類基因中與 BELL1 基因相似的那個基因,是否在人類體內也扮演著調控胚胎發育程序,仍無法確定。

Reski 教授表示:「我們研究成果的重要性遠遠不只是對於蘚苔類的了解。首先,這些成果解釋了藻類是如何離開水到陸地上,發展成陸生植物,造就了現在我們熟悉的生態環境。再者,這項研究也使得『植物、動物和人類的發育是由基因所調控的』這項觀念再次受到重視。」

(首圖來源:Flickr/J Brew CC BY 2.0) 

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