它们的基因，人类受益

除了揭示人的基因奥秘外，今天人类科学研究的重心之一也转向了解读和揭秘动物与植物的基因。说实话，人类研究动、植物的基因当然并非首先是为了动、植物，而是借研究动、植物的基因为人类服务，就像古老的仿生学一样。迄今，人类研究动物的基因取得了不俗的成绩，不仅为人类的发展提供了有益的启示，而且能让人类直接受益。

　　

　　能帮助人类的植物基因

　　

　　目前，人类只对几种植物完成了基因组的描绘，其中有拟南芥和水稻。但是，最近研究人员又宣布完成了对世界上第一种树的全基因组探秘。这种树叫做毛果杨，它的全基因组草图已经完成并公布到互联网上。选择这种树的基因作为研究对象是有原因的，因为它们可以提供理想的生物燃料，而以这种树的基因组为基础，有可能让人类获得更好的新能源。

　　这个研究是由美国能源部资助的一个大规模的国际科学研究小组完成的。毛果杨是一种普通的植物，但生长率迅速，而且是一种潜在的生物燃料。同时，相对于拟南芥和水稻，毛果杨的基因组所含基因相对较少，因而毛果杨是人类破译的第一种树的基因组。参与毛果杨基因组破译的主要研究者之一、美国橡树岭国家实验室的杰拉德·塔斯坎认为，迄今生物燃料还难以做到经济和实用，因为需要大片土地却只能获得少量的乙醇燃料(靠榨取植物的纤维素获得)，而毛果杨的基因组则有助于对此进行改善。因为可以通过调控树的生化途径或转基因技术，让杨树长得更大更快，或包含更多比例的纤维素，从而让它们更容易转化为糖和乙醇。

　　与此同时，尽管人类已经破译了水稻的基因组，但是对这个庞大的基因组中的许基因的功能还茫然无知。比如，哪些基因是导致水稻高产的基因，哪些是防御病虫害的基因，又有哪些基因参与了水稻果实的生成和果实成熟后的保存。如果了解这些基因，则有助于水稻的丰收。而水稻是当今世界最重要的农作物之一，它供给世界上约一半人的口粮。水稻的重要性除了它的高营养性，还在于它的容易栽培和易于收获。

　　但是，水稻种植也有难题，比如，粮食产量的提高有多种因素，其中之一是成熟后谷粒的收割和贮存，因为水稻成熟后谷粒就迅速脱落，从而影响产量。而这也与水稻基因有关。最近，研究人员发现了一个公认的转录子(基因)，其中的一个单碱基对的变异控制着谷粒在水稻上的存留时间。日本农业技术创新研究院的小西等人对水稻基因组研究后确认了其中的一个称为qSH1的基因与调节谷粒成熟后的保存有关，它决定着水稻谷粒在成熟后从枝头掉落的时间长短。如果这个时间长，就有利于水稻的收割和保存。而这个基因也是一个转录子，同时是拟南芥的一个已知的转录子的同系物，它参与了植物发育基因的调节。而水稻谷粒在成熟后的脱落受逆向调节区的单碱基对变异的调控。对这些基因的进一步研究不仅有利于今后获得高产水稻，而且能帮助查明水稻种植的时间和过程。

　　当然，尽管人类还没有完全破译小麦的基因组，但是对这种主要供给人类食物的作物也在开始了解它们的基因。考古发现提示，古人类栽培小麦是在约10000年前。多年来，人们希望培育一种完美的作物以适应人类所需的食物营养，但是迄今小麦并没有达到这样的要求，原因在于有一种重要的基因没有培育到小麦中。现在，研究人员发现了一种弥补这种不足的方法，可以把特有的营养素送回到小麦中。

　　美国加利福尼亚大学的乔治·杜波可夫斯基领导的研究小组研究了两种主要小麦——圆锥小麦的90多个变种，这些品种都是今天人们用作面条、面包的主要原料，它们占全球人们消耗能量的20％。而在这些产品中，由于发生基因突变，小麦中减少了蛋白质、锌和铁的含量。针对传统小麦的这一缺点，研究人员把野生的小麦与家种的小麦进行杂交，培育出了比传统小麦有更高微量元素和多出10％蛋白质的新小麦品种。这个创新预计可以帮助全球20亿缺乏重要微量元素的人，让他们仅仅从食用小麦加工的食品就可以获得更为充足的营养。杜波可夫斯基等人已经检测了新小麦的质量，可以制作更好的面包。新小麦中的基因称为NAM-B1，来自野生小麦。而且新小麦的产生并非需要转基因，只需要杂交就行了。因此，这一研究也再次证明传统杂交育种的生命力。

　　

　　蜜蜂的基因给人启示

　　

　　在昆虫中，蜜蜂是最为优秀的物种之一。蜜蜂的聪明、才智、实干和团队精神一直让自诩为万物之灵的人类自愧弗如。比如，它们识别食物的本领、它们的团队协作精神、它们构造巢穴的高超技能，都让人们惊讶不已。如今，研究人员宣布，人类已经破译了蜜蜂的基因组，这为人类了解和学习蜜蜂创造了条件。

　　在2006年10月26日出版的《自然》杂志上，13个国家科研机构的近200名科学家组成的研究团队公布了他们测序的蜜蜂基因组图谱。而早在2002年，美国国立卫生研究院就把西方蜜蜂列入了优先测序的名单。结果表明，蜜蜂的基因组有约2.36亿个碱基对，还不到人类基因组的1/10，其中所测到的基因超过1万个。

　　那么，蜜蜂基因组的测序对人类有什么用处呢?蜜蜂基因组测序负责人之一、美国休斯敦贝勒医学院的乔治·韦恩斯托克认为，对蜜蜂社会行为的理解是蜜蜂基因组测序的最大回报。然而，这是需要更多研究才能解答的问题。迄今，人类只知道蜜蜂的高度组织和明确分工，在每群蜜蜂中，有一个蜂王，以下是无数看起来一模一样的工蜂，但却有明确的工作责任，如一些照料幼蜂，另外一些负责修建蜂巢，另外一些则收集花蜜和花粉。此外，还有负责交配维持种群的短命的雄蜂。

　　当然，对蜜蜂基因的破译可以理解和解释蜜蜂的一些行为和智力。比如，研究人员在蜜蜂基因组中找到了大约165个与气味感受器有关的基因。而蜜蜂的这类基因是在以前已经破译的另两种昆虫——果蝇和按蚊——的基因组中的2倍。这说明，蜜蜂需要通过气味辨识敌我和寻找合适的花朵，所以这类基因较多。

　　尽管破译了蜜蜂的基因组，但对蜜蜂的很多行为还是无法有效解释，这就需要今后找到功能基因来解释。比如，虽然蜜蜂的嗅觉灵敏，它们的味觉却相对迟钝。在蜜蜂的基因组中，只有10个与味觉感受器有关的基因。但同属于昆虫的果蝇有68个这类基因，按蚊有76个。原因在于，蜜蜂幼虫生活在蜂房里，由成年工蜂喂养，而开花植物进化出了一些吸引蜜蜂授粉的机制，蜜蜂就不需要发展出更多的味觉感受器。同样，由于蜜蜂集体生活在蜂巢中，它们负责制造外壳(用于保护自身)的蛋白质的基因就较少。

　　同样，我们早就知道，工蜂的8字舞和圆形舞是其传递信息的特殊语言。对此，奥地利生物学家卡尔·冯·弗里施进行了破译，由于这个发现他获得了1973年诺贝尔生理学或医学奖。但是，为什么蜜蜂会有并形成这样的语言，也许不可能只从基因和大脑神经细胞中找答案。因为，蜜蜂的大脑只有不到芝麻粒那么大，其中只有100万个神经细胞，相当于人类大脑神经元数量的1/100万。所以，基因和神经元也许不能完全说明问题，而语言的发明和使用又是社会性的，正如人类的语言一样，因此社会性再加上今后的功能基因的发现才能彻底解释蜜蜂的智慧。

　　另外，从基因组分析，研究人员初步了解了蜜蜂的进化和起源。原来，蜜蜂也像人类一样是起源于非洲再走出非洲。这是美国伊利诺依大学香槟分校的生物学家查尔斯·维特菲尔德等人分析蜜蜂基因组的1000多个单核苷酸多态形(DNA上单个“字母”的突变)而获得的发现。而美国康奈尔大学的蜜蜂专家布莱恩·丹福斯在比较了蜜蜂的5个基因和数十种野蜂和胡蜂的对应基因后，认为蜜蜂最有可能起源于非洲。研究人员认为，一群蜜蜂从非洲进入西班牙，然后迁徙到了中欧和俄罗斯，而另一群蜜蜂则从非洲来到了南欧地区，然后进入亚洲。这两个蜜蜂群体虽然同在欧洲，它们的亲缘关系却较远。蜜蜂进入美洲大陆是在较晚的时候，最早可追溯到17世纪早期。1956年，南美洲的巴西引入了一种非洲蜜蜂，就是后来著名的“杀人蜂”。这些非洲蜜蜂逐渐取代了当地的“欧洲”蜜蜂，成为第3次走出非洲的蜜蜂。

　　

　　动物基因与人关联

　　

　　在人类破译的各种生物的基因组中还有一种最小的基因组。那么，多小的基因组才能产生并维持一种生物的生存?研究人员给出的答案是，一种共生细菌拥有迄今所记录到的最小的基因组，共有159662个碱基对和182个编码蛋白质的基因。这种细菌与一种吸食树液的昆虫共生。与此同时，另一个研究小组也发现一种共生菌的DNA只有约400000个碱基对，虽然不到前一个共生菌的两倍，但比以前发现的任何细菌的基因都要少，而人类基因组则有30亿碱基对。这两个发现表明，只要有很小一点分子就可以构成一种有机的生命形式。

　　后一个共生菌基因组的发现者之一、西班牙瓦伦西牙大学的安姆帕罗·拉托雷认为，这两种共生菌的基因组如此之小，以致今天的DNA合成技术就足以合成它们。这意味着将来可以通过类似的技术合成新的药物和燃料。不过，唯一的问题是这些细菌是共生的，离开了共生环境它们能否生存还是另一个问题。而破译人类基因组的领军人物之一、美国的克雷格·文特尔则认为，利用这种最小的基因组可能创造新生命，比如合成可以产生燃料如氢和可更新原材料的细菌。

　　研究人员通过对狗和狼的基因的异同还发现了某种癌症的起源，而这将有利于诊断和治疗人类的癌症。研究人员发现，狗的一种通过性传播的恶性肿瘤可以追踪到它们的狼祖先，这个祖先是200多年前生活在亚洲的一种狼或狗。大多数癌症都随时间的发展而恶化，但狗的这种肿瘤会自然好转。大多数癌症是在一个有机体自身的细胞生长失控时形成的。狗的经性传播的肿瘤(CTVT)是在狗进行性行为时通过肿瘤细胞在狗到狗之间的转移而传播。这种肿瘤攻击狗的面部和生殖器，但通常会在几个月内好转。CTVT可以发生于日本、美国、欧洲、中国、远东、中东和部分非洲地区的狗身上，但研究人员认为它们可能有单一的来源。

　　英国伦敦大学学院的克劳迪奥·麦几亚和其同事检测了16只在意大利、印度和肯尼亚因患CTVT而受治疗的狗的肿瘤细胞的DNA，这些狗之间没有任何联系。为了找到癌症的来源，研究小组研究了来自85种不同血缘的400只狗，结果发现癌症细胞的DNA在当代的狼中非常普遍。通过计算遗传差异，研究人员认为这种肿瘤至少有200年之久。当CTVT感染一只新狗时，肿瘤会分泌一种化学物质抑制狗的免疫系统，因而狗无法抵御这种传染。但数月后，狗的免疫系统通常就能驱逐这种入侵者了。因此，研究人员认为，如果能弄清狗身上的这种癌是怎样和如何变化的，可能帮助人类治疗癌症。

　　当然，破译生物基因组还可以对远古动物进行研究，以了解生物的起源和进化，比如让古代的恐龙复活就一直是科研人员的一种愿望。但是，研究人员对古代另一种动物猛犸的基因研究却有另外的发现。对永久冻土中猛犸的DNA分析发现，这种4.3万年前的史前动物有些的毛发颜色可能是淡黄色的，如同人的金发碧眼。过去教科书上描绘的猛犸的皮毛颜色是典型的棕色。但是，它们的颜色很有可能呈现为浅棕色和金棕色。一直以来，研究人员就怀疑猛犸的皮毛颜色可能是浅黄的。但是，这种浅黄是遗传的还是因为它们灭绝后长期埋在冻土层后的结果?

　　对此，德国马克斯-普朗克研究所的进化人类学专家迈克尔·霍夫雷特领导的研究小组不是从毛发本身来寻求答案，而是从寻找远古时期的猛犸的骨头来求解。他们从西伯利亚获得了一块距今有4.3万年之久的猛犸骨头，从骨头中提取了部分DNA，发现其中含有一种重要的称为Mclr的色素基因。绝大多数猛犸的基因表现为两种拷贝，每一种都来自亲代。霍夫雷特等人发现，猛犸的两个Mclr基因稍稍有些不同。在研究这两个基因产生的蛋白质时，他们发现其中一个产生棕褐色色素的功能远比另一个更好。这就意味着远古猛犸毛皮的颜色有些可能是浅黄或金黄的，而且是由基因决定的。这就更能说明人和生物的体表颜色确实由基因控制。

　　上述方方面面的基因发现只是基因研究中的沧海一粟，而研究动、植物的基因最终目标都是为了揭示自然的奥秘，并为人类和其他生物服务。

　　

　　[责任编辑]张田勘