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量身订做新稻米
【字体： 大 中 小 】 时间：2004年09月29日 来源：
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科学家对稻米的基因数量，以及负责发育、生理、代谢和产量的基因，有了基本的认识，并可以将这些知识延伸应用在玉米、小麦、高梁和其它谷物上。
几千年来，农民巡视田地，仰望天空，期盼风调雨顺，年年丰收。当农民发现某些特别的植物，能够产量丰富、安然度过恶劣天候，或可抵抗摧毁周围作物的病虫害，很自然地会想拿这些植物与其它植物杂交，好留存理想的性状。但这些尝试的结果难料，无法窥见植物内在，并确知造成理想特征的因素，农民所能做的，只有将植物配对杂交，期盼有最好的结果。
尽管这种方法盲目随机，但成果却相当惊人。一万多年前，当我们靠猎食与采集维生的祖先开始定居生活，他们的农业发展已让人类社会禁得起人口爆炸。现今人口数仍节节升高，使得提高农业生产的需求也持续增加。
今日99%的农产品，只仰赖24种驯化的植物物种，其中稻米、小麦和玉米是人类最主要的热量来源。这三种极重要的榖类，每种年产量都超过五亿吨。根据预测，2050年人口将增为90亿人，如果要维持现在每人每日平均0.41~1.5公斤的谷物消耗量，在粮食作物耕地日渐减少的情况下，每年还需增产1.5%。植物学家相信，作物的产量尚未达到理论最大值，找出让植物发挥潜力、并将产量推到最极限的方法，是各国科学家努力的目标。可喜的是，现在藉由一套崭新的工具来追寻这三大主要粮食作物的起源，或许可以找到一些解答。
打造现代作物
分子及遗传研究显示，小麦、稻米、玉米，还有大麦、小米和高粱等其它禾本科植物，彼此的亲缘关系远比我们过去所想得近。因此重新认识其中一种物种，都有助于改良其它物种。此外，从这些作物野生祖先的遗传宝库中撷取有用的性状，能以杂交的方式来移入现代的品种中。
谷物都衍生自同一种禾本科植物祖先，它们在5000~7000万年前开始分歧，散布到全世界地理上分隔的区域。大约在一万年前，地中海新月沃土（两河流域）的农民开始种植驯化的小麦，可能在1000年后，现今墨西哥地区的农民开始种植现代玉米的祖先，古代中国农民则在8000多年前栽种水稻。当我们祖先驯化这些植物时，也会利用和现代植物育种方法非常相似的程序。他们从野生种开始，选择性地繁殖和杂交具有理想性状的植物个体，像是榖粒更大或更多。不会散布种子的植物特别受到注意，虽然这项特质让植物得依赖人类才能繁殖，但却有利于榖粒的收割。早期耕种者还会筛选植物的营养特质，例如种子外壳较薄以便食用，或是挑选淀粉粘稠度最适合制作玉米薄饼的玉米变种。透过这种方式，作物植物和它们祖先的歧异越来越大，到最后几乎不再与野生种杂交。玉米和其祖先大刍草的外观大相径庭，直到最近，有关它们的起源的争议才逐渐平息。
从史前时代开始，人类从未停止经由选择性繁殖和杂交来改良榖类植物。过去一世纪来，作物的穗在筛选下变大而使产量增加，因高产量的穗比较重，使水稻和小麦的高度也在配种下变矮，以避免植物受风吹折。对疾病的抵抗力、环境压力的耐受性和更有效利用氮肥等特性，也大幅增加作物的产量和稳定性，引发1960年代的绿色革命。以美国为例，玉米每公顷年产量自1950年起增加了将近400%。
然而即使在农业蓬勃发展期间，植物育种专家并不比早期的作物耕种者有更多资材可用，大部份仍受限谥参锏目杉卣骰虮昙牵袷侵肿哟笮』蛑参锕乖欤鑫徊皆鲋忱硐肫废档囊谰荨?
尽管如此，谷物的基因组研究，说明了史前耕种者在选择可见性状时，不知情地选择出特定的基因。德潮任穆砜怂蛊绽士丝脊湃死嘌а芯克敛ǖ难芯客哦樱治隽舜幽鞲缬衩自耘嗥鹪吹馗浇⑾值挠衩姿胫嶂校囟ɑ虻亩耘蓟颍ɑ蛐停Ｋ侵な担?400年前的栽培玉米中，已具备所有现代玉米品种中控制植物分枝、蛋白质及淀粉品质的对偶基因。而在玉米的野生亲戚大刍草里，这些对偶基因的出现率只有7~36%，显示出早期农民对偏好的对偶基因，施予的选择压力很彻底而且快速。
事实上，当育种家各自培育各种谷物物种时，已经不知情地选择了类似的基因突变。性状定位是找出负责某一性状的基因在染色体上特定区域的技术，经由这种技术，显示出人类对现代谷物物种造成的改变，都可回溯到相关植物基因组上类似的基因座。而导致这种相似性的原因，是不同作物的基因组结构本来就很相像，尽管这些谷物经历了数百万年的独立演化。
收成基因组
科学家已在各种栽培榖类的染色体上，定出了上千个控制性状的基因座。比对这些植物的遗传图谱，显示这些图谱惊人地相近。这种高度对应性称为同线性，所有禾本科植物基因组的同线性，让科学家能将它们视为同一遗传系统，也就是说从某一种谷物发现的任何基因或基因的功能，都能协助科学家了解和改良其它谷物。
学名为Oryza sativa的水稻，可能会是最先能提供许多新看法的榖物，因为水稻将是第一个完成整个基因组定序的榖物植物。本文作者之一高夫已发表了美国和日本较常种植的粳稻（蓬莱米）大致的序列，中国的研究者也发表了在亚洲广泛种植的籼稻（在来米）大致的序列。“国际水稻基因组定序计画”预计今年年底就可完成水稻12条染色体详细的序列。
水稻基因组是所有榖物中最容易解决的，因为它比其它榖物小许多，只有4亿3000万对碱基，相较之下，玉米则和人类的基因组相当，有30亿对碱基，大麦的基因组含有50亿对盐基，小麦的基因组更是惊人，有160亿对盐基。目前玉米基因组定序计划已在进行中，科学家也开始考虑小麦的定序。而从现有的稻米序列中，已鉴定出数万个基因，不过知道基因组上某一段序列为基因，并不能让我们知道该基因的功能。
目前有几个策略可判定基因的功能，最直接的方法，是搜寻所有已知基因的数据库，看看是否有序列相似的基因。负责细胞基本活性的基因，通常会和已研究过的微生物或其它生物的基因几乎相同。估计在稻米3~5万个基因中，大约有2万个基因序列和从前发现、功能已知的基因相似，因此研究者能推测出这些基因在水稻中的角色。
举例来说，预期有超过1000个基因和水稻抵抗病虫害有关，而有数百个基因与合成维生素、碳水化合物、脂质、蛋白质或其它养份的代谢途径相关。此外，在比对研究详细的阿拉伯芥的实验资料后，也确认出许多负责调节这些生化合成途径、或影响作物重要发育阶段的水稻基因，像是开花和种子的形成。
有数个研究团队还更进一步使用效果卓越的微数组为工具，由基因在谷物的不同组织中的表现或活性，而将基因分门别类。举例来说，我们公司（先正达）的科学家检查了2万1000个稻米基因，鉴定出其中269个基因主要是在稻榖发育时表现，显示这些基因可能对成熟稻谷的养份组成有重要的影响。
另一种判定的基因功能的方法是基因剔除法：在基因里插入一个突变，以关闭基因的活性，然后看看对植物造成什么影响。这种方法有时效果明显，有时也可利用来检验一些较不明显的变化，例如正常的生理、发育、内部调节和生化功能等。在私人团体和政府机构的努力下，完整的水稻和玉米突变种收藏已经建立起来，其中总共剔除了数千个特定的基因。像这样功能性的基因组研究，再结合物种间基因序列的比对，科学家对稻米的基因数量，以及负责发育、生理、代谢和产量的基因，开始有了基本的认识，并可以将这些知识延伸应用在玉米、小麦、高梁和其它谷物上。
在知道了特定基因的功能后，要将这知识应用于作物改良，中间的步骤就剩下确认能表现理想性状的对偶基因。举例来说，如果知道有一个基因能够控制玉米粒中的淀粉累积，就可寻找该基因的各个基因型（同个基因的不同版本）中，哪一种在严重干旱时仍能发挥功能。控制理想性状的对偶基因，有可能在其它现代的玉米品系中找到，但更有可能在野生种中。现代作物间的基因同构型，是我们祖先最初栽培它们时留下的后遗症。根据估计，现代玉米的创始族群可能仅有20株植物。早期耕种者只选取少数带有理想性状的植物来繁殖，又经历了数千年的近交，这使得栽培物种的遗传多样性受到严重的限制。
