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控制植物的「減數分裂」

富不過三代」,表面上只是人文界的「傳統智慧」,其實涉及一個重要的生物學問題,那就是有性生殖的起源。因為實行有性生殖的親代,必須透過減數分裂產生配子。
 
 
 
富不過三代」,表面上只是人文界的「傳統智慧」(conventional wisdom),其實涉及一個重要的生物學問題,那就是有性生殖的起源。因為實行有性生殖的親代,必須透過減數分裂產生配子。在這個過程中,親代基因組不但會發生重組,而且只有一半遺傳給子女。因此,任何一個親代個體,即使擁有完美的基因組,子女都無法享有同樣的基因優勢。這樣的生殖模式居然會成為複雜生物的主要生殖手段,演化生物學者至今仍然沒有提出教人信服的完整答案。

這不只是個令人好奇的知識問題,而且有實用意義。例如育種專家好不容易培育出來的動物品種,基因組必然會在生殖過程中解散。十多年前因「桃莉」誕生而引起大眾矚目的「克隆」(cloning)技術,其實只是凍結動物基因組的技術。

在植物界,有些植物已演化出不透過減數分裂而產生配子的辦法,每一粒種子的基因組都與親本完全一樣。這種無性生殖模式叫做「無融合生殖」(apomixis),在蕨類中很普遍。但在高等植物中,只在被子植物的34科中發現,其中3∕4物種集中於菊科(如蒲公英)、禾本科及薔薇科(如黑莓)。可是供應人類主食的莊稼,沒有一種實行無融合生殖。

無融合生殖包括兩個步驟:第一、在種子形成時,阻止減數分裂,因而基因組合不變;第二、這樣的種子不需受精就能夠發育(即孤雌生殖)。此外,種子萌發時,還需要「胚乳」供應營養。過去的研究證明:這些無融合生殖的要件都由基因控制,不過還沒有人找到相關的特定基因。

1990年代,學者已經在阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的基因組裡,找到了3個突變基因與胚乳形成有關。接著,能促成孤雌生殖的另一個突變基因也發現了。今年2月底,一個印度研究團隊在《自然》發表報告,宣布他們找到了一個名為dyad的隱性突變基因,可以造成不經減數分裂的卵子,而且那種卵子受精後能夠萌發。

正常的dyad基因,在減數分裂過程中涉及染色體組織的調控。同合子dyad突變株(dyad/dyad)的卵母細胞,只分裂了一次就形成了兩個孢子,而不是兩次。因而孢子的基因組既沒有經過重組,也沒有減數(雙套)。雙套孢子通常無法繼續發育,成為有生殖潛力的卵子。但是這個印度團隊發現,少數雙套孢子能夠發育成卵子,它們受精後萌發成三倍體幼株。(他們還無法讓雙套卵子孤雌生殖。)

突變dyad阿拉伯芥與野生無融合生殖植物,最大的差別是:野生植物的無融合生殖性狀是顯性的,而不是隱性的。此外,在野生植物中,這種性狀的表現率非常高,例如實行無融合生殖的蒲公英就非常多產。不過,這個研究顯示:阿拉伯芥有實行無融合生殖的可能。在糧食作物中,類似無融合生殖的結果的確會自然發生,例如產生雙套配子(無減數分裂)或單套仔株(孤雌生殖),只是發生率非常低。因此,實行有性生殖的顯花植物有實行無融合生殖的基因潛力,應無疑問。

鑑於糧食需求的不斷上升,早就有學者呼籲研究高等植物無融合生殖的基因機制,以便更有效率地改良糧食作物。一萬年前,人類馴化野生植物,為人類歷史揭開了新頁。這份報告是人類馴化植物生殖機制、控制減數分裂,為農業開創新局的第一步。
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