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【国科报告厅】曹晓风院士：基因是什么？为什么会不一样？

花匠小妙招
2024-11-30 21:12

中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员曹晓风在全国媒体记者研修班授课：基因是什么？为什么会不一样？

植物和我们的日常生活息息相关，漂亮的花草和树木装点着我们的生活、多种多样的蔬菜和水果提供给我们丰富的营养、大米和面粉作为我们大部分人的主食，这些植物都是大家所熟知的。但是它们是不一样的，因为它们的基因不同。

基因是什么？为什么会不一样？基因是携带遗传信息的DNA片段。通常情况下，基因通过指导蛋白质的合成表达自己所携带的遗传信息，控制个体的性状。生老病死等一切生命现象都跟遗传有关。

我们每个人都由一个受精卵产生，爸爸的精子和妈妈的卵子结合形成受精卵，受精卵经过分裂和生长，产生不同的组织和器官。一个人的基因组里面含有相同的DNA序列，为什么会分化出不同的组织和器官，这是由表观遗传调控决定的。

每个细胞里面的基因表达模式是不一样的，所以即便是同一个DNA也会有不同的表达模式。DNA决定人的外貌，但是即便是拥有相同DNA的同卵双胞胎，他（她）们长大以后，性情和行为表现也会不同，这就是由表观遗传学决定的。

人类基因组计划在2000年基本完成，测定了人的基因组序列。发现基因组中仅含有2万多个编码蛋白质的基因，远非之前想象的10万个那么多。人类45%的基因组由转座子来源的重复序列构成，这很令人惊奇。

不同的物种随着基因组的增大，转座子的比例也随之增加。玉米和大麦中转座子占基因组的比例约为85%和82%。转座子是可以“跳跃”的序列，可以从基因组的一个位置跳到另一个位置，从而产生重复序列。在进化的早期，转座子是活跃跳跃的，但是跳跃的过程如果破坏了重要的基因就会被淘汰，而有益的转座子跳跃事件则被保留下来，同时生物体也进化出一系列的机制来维持转座子的稳定。

上世纪50年代，美国女科学家芭芭拉·麦克林托克在研究玉米花斑籽粒的时候首次发现了转座子的存在，并因为这一项重要的科学发现，于1983年获得了诺贝尔生理医学奖。

玉米花斑籽粒现象，是在自然条件下产生的，是天然的“转基因”产物。有一个控制花青素合成的基因，如果这个基因表达，玉米的籽粒就呈现紫色。但是当有一个转座子发生跳跃，插入到花青素基因的位置，破坏了该基因的表达，所以玉米籽粒就呈现黄色或白色。由于转座子不稳定，还有可能跳走。转座子跳跃的时间非常重要，假如第一个细胞分裂时就跳走了，花青素基因表达，整个籽粒都会呈现紫色。如果在玉米籽粒生长的中途转座子跳走，那么后续的细胞再分裂就呈现紫颜色，而之前的细胞则为白色或黄色，所以出现花斑籽粒。由此我们可以知道，玉米的花斑籽粒是一种天然的“转基因”现象。

除了玉米花斑粒这一天然“转基因”现象外，在我们生活中经常吃的多种蔬菜、水果、粮食以及花卉中也都发现了转座子跳跃造成的天然 “转基因”现象。

人们看见不一样的蔬菜、水果、作物和花卉后，总觉得它们是“转基因”的，要不然怎么和常见的不一样呢？但实际上，它们不是人为的转基因产品，而是自然界在亿万年的进化过程中，基因组本身发生了很多变化，从而使这个世界变得更加丰富多彩罢了；而转座子就是推动这个进化过程中的重要驱动力。

市场销售的番茄主要有圆形和椭圆形的，其中椭圆形番茄的形成与转座子的“跳跃”有关。2004年，研究者通过对控制番茄果实形状加长的SUN位点分析发现，SUN在圆形的野生或栽培品种与椭圆形番茄栽培品种间存在着变异。在椭圆形番茄栽培品种中，位于SUN位点的关键基因从10号染色体跳到了7号染色体。由于转座子插入的下游基因是控制果实膨大的，新整合位点增强了下游基因的表达量，从而促进番茄果实形状伸长由圆形变成椭圆形。由此可知，常常被人们误认为“转基因”的圣女果，是自然界转座子“跳跃”介导基因重排后的产物。

橙子果肉颜色有深有浅，这也是转座子跳跃产生的自然界“转基因”产物。橙子果肉颜色的深浅是由花青素基因表达的高低决定的。脐橙中花青素基因未被转座子插入，在果肉中能有少量表达，所以果肉为橙色。而在原产意大利的塔罗科血橙中，花青素基因的上游存在一个转座子，这个转座子作为花青素基因的新启动子，使其在果肉里表达量升高，进而使塔罗科血橙果肉拥有了更深的颜色。

这类转座子“跳跃”介导基因重排后的大自然产物，还包括制作不同葡萄酒的白葡萄和红葡萄。葡萄中VvmybA1基因通过调节花色素苷生物合成控制果皮颜色。2004年，科学家发现，当一个转座子插入到紫葡萄品种卡本内的VvmybA1基因上游后，能够抑制该基因的表达，使果皮颜色变成白色，从而产生了白葡萄霞多丽。随后，转座子插入位点再次发生DNA序列重排导致了VvmybA1基因的部分恢复突变，形成红葡萄奥山红宝石。

转座子与我们人类息息相关，人类基因组中含有约40%的转座子。它对育种也有很大的影响。转座子跳跃会产生好的影响和坏的影响，其中品质优良的转座子跳跃现象被人工选择或者自然选择保留下来。最明显的例子就是玉米，玉米原产于低纬度的墨西哥，属于短日照，而世界包括中国在内的玉米主产区都属于长日照，如何解决玉米对不同地区的日照长度的适应，一直是科学家们亟需解决的关键问题。研究发现，现代的栽培玉米中由于一个转座子的插入使其能有效减弱对光的敏感性，有助于玉米从热带到温带地区的扩散，对于揭示玉米的适应性机制、帮助品种选育具有重要意义。而玉米祖先品种大刍草中并不存在这一转座子插入，推测该转座子插入在玉米从热带到温带地区扩散过程中被选择下来，适应从短日照到长日照的驯化。

转座子的跳跃实际上就是天然的转基因过程。所有生物都有基因，转基因事件在地球的演化过程中一直在发生。一个最好的例子就是栽培甘薯，测序发现它的基因组中含有土壤农杆菌的基因片段，这就是一个天然的转基因事件。

转基因技术是将人工分离和修饰过的优质基因，导入到生物体基因组中，从而达到改造生物的目的。由于导入基因的表达，引起生物体的性状发送改变，这一技术被称之为人工转基因技术。该技术可以增加人们所期望的新性状，培育出新品种。作物育种技术也是不断地进步和发展的，最初的作物育种技术是驯化。今天我们吃的农产品绝大多数都是人类通过长期驯化与人工选育的结果。野生植物经过上万年的栽培后，由于环境条件的改变，营养的增加，人类对能遗传的变异加以有意识的选择、分离和繁殖，使其与野生祖先有显著的不同，最终便驯化成栽培价值更高的作物类型，变得更易为人们利用。

在野生醋栗番茄被驯化为栽培番茄的过程中，果实变大了上百倍。在马铃薯驯化过程中，块茎变大了几十倍，形状也更加规则，便于食用。野生黄瓜变种的植株没有主蔓，果实为椭圆形，特别苦；经过驯化后，栽培黄瓜具有主蔓，果实为长条形，失去了苦味，口感更适合我们食用。这些都是长期驯化和人工选育的产物。

传统杂交技术是基于孟德尔遗传定律的。最重要的杂交育种就是绿色革命，绿色革命的主要内容是培育和推广高产粮食品种，增加化肥施用量，加强灌溉和管理，使用农药和农业机械，以提高单位面积产量，增加粮食总产量。

第一次绿色革命发生在上世纪50年代初，其主要特征是把水稻的高秆变矮秆，另外辅助以农药和农业机械，从而解决了19个发展中国家粮食自给问题。世界上一些国家科技对农业增长的贡献率一般都在70%以上。

第二次绿色革命是指运用以基因工程为核心的现代生物技术，培育既高产又富含营养的动植物新品种以及功能菌种，促使农业生产方式发生革命性变化，在促进农业生产和食品增长的同时，确保环境可持续发展。中国的杂交水稻和李振声院士培育的小偃系列小麦新品种就是第二次绿色革命的杰出代表。

传统育种技术发展的瓶颈是遗传多样性的减少，很难选出突破性品种。新技术给传统育种带来巨大的突破，尤其是近几年新兴的基因编辑技术的出现，有望实现快速有效的分子设计育种，极大地加快了育种的进程，对农业的可持续发展提供了前所未有的机遇和挑战。

基因编辑技术的研究和利用是目前生命科学研究的前沿和热点。利用基因编辑技术，目前已经获得了防止褐化的白蘑菇、含有高支链淀粉的玉米和高油酸的大豆等产品。

我国科学家已成功将基因编辑技术应用在水稻、玉米、大豆和马铃薯等植物中。基因编辑为作物育种提供了新的发展机遇，使得农作物定向分子育种成为可能。

基因编辑与传统作物遗传改良相比存在四个优势：

1、精度更精确。突变与自然突变无差别，基因组中无新片断的插入。

2、监管，以科学为基础、切合目的的简化监管，多个国家已将基因组编辑作物归为非转基因作物。

3、速度快。产品的升级换代，哪个基因不好，或者在什么地方种的不好，精细地改造它，让它更高产优质。

4、成本低。比如2015年，美国种植了4000公顷SU油菜TM，这是全球首个商业化的基因组编辑作物，不属于转基因作物。

随着科技的进步和社会的发展，我们国家现在的情况跟原来不一样了，原来是吃不饱的状态，现在是消费结构改变、消费需求多元化，应该更加注重品质，因此更加需要科技革新来满足人们日益增长的需求。过去十年蛋白质的摄入量基本持平，但是脂肪摄入量过多，蔬菜、水果摄入量略有下降，钙、铁、维生素A、D等部分营养素缺乏依然存在。餐桌与我们的健康息息相关。花青素具有延长寿命的作用，科学家研究发现吃紫颜色番茄的小鼠寿命比吃红颜色番茄的小鼠寿命要长。黄铜类化合物可以增强人体的免疫力，肠道细菌和膳食类黄酮联手抵抗流感病毒感染造成的肺部受伤。

植物在我国饮食结构中占有主导地位，植物是人体多种维生素和必需氨基酸的来源，富含多种功能性化合物，在维持人体健康和预防疾病等方面起着重要作用。蔬菜水果中富含活性多糖、植物多酚和脂肪酸、植物磷脂和谷维素等。活性多糖可以抗肿瘤、抗感染、降血糖；植物多酚可以抗病毒、抗过敏；脂肪酸、植物磷脂、谷维素有助于提高智商、对于预防心血管疾病，高血压、心脏病、癌症和糖尿病等有积极的防治作用。

现在国家提出“健康中国”的概念，希望通过改造食物的结构提高幸福指数。打造“健康中国”，必须从农业生产入手，发展营养作物，确保粮食安全，实现健康膳食，促进农业供给侧结构性改革。

最后引用绿色革命之父Norman Borlaug的一句话：“我们饿着肚子也不能解决和平”。美国人口比中国少很多，可用耕地面积却比中国大很多，土地和人口的比例是我们的20倍。每个国家有自己的国情，所以需要靠我们自己、靠大家多宣传，用科技的力量改变世界。

最后要感谢在我准备这次报告时为我提供素材的科学家们，特别是北京大学许智宏院士、瞿礼嘉教授和黄季焜教授，中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员和中科院基因组所薛勇彪所长。谢谢大家！

来源：种子天下