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拟南芥:植物界的“小白鼠”

2022-12-20祁云枝

中国科技财富 2022年10期
关键词:小白鼠拟南芥油菜花

文/祁云枝

近日,由问天实验舱带到中国空间站的拟南芥种子和水稻种子已经“满月”,在神舟十四号航天员的照料下长势良好。对于水稻,大伙儿都熟悉,而拟南芥,虽不一定听说过,但你一定见过它的近亲油菜花。

设想一下,你眼前的油菜花拥有孙悟空的法术会缩小,也会变色,并且它一个劲儿地变小、再变小,直到变得和我们春天里吃的荠荠菜一般大。然后,再把油菜花花瓣的金黄色变为白色,这大概就是拟南芥的模样了。

拟南芥和油菜花同属十字花科植物,它们的花朵,都拥有四个花瓣,十字形两两相对,围绕在花蕊身旁,数朵十字小花,又以总状花序聚集。油菜花金黄,拟南芥花朵洁白;一个大点,一个是小不点。从体量上看,就像爷爷和孙子。它们也都拥有细长的微微向上弯曲的荚果,成熟时开裂,弹射出里面排列得整整齐齐的细小种子。

和十字花科的其他植物白菜、油菜、荠荠菜一样,拟南芥也是可以食用的。不过,拟南芥最重要的用途,是充当植物界的“小白鼠”,在科学家的眼里,没有什么植物比拟南芥更适合用来做科学研究实验了。

个头矮小,身高20—30厘米,适应性强,且生长迅速、种子多,并能够自花授粉,这些特点使得拟南芥很方便在实验室里进行培育种植。到目前为止,它也是最适合在太空舱内进行播种繁育操作的植物。

作为草木代表,拟南芥是第一种获得基因组测序的植物,不仅在国际空间站种植,它还登上过月球。科学家把它在太空里的生存规律研究透彻后,就可以培育出适合在太空种植的粮食作物,为人类移民月球、移民火星提供宝贵经验。

拟南芥生命周期短,短短6周,就能完成“从种子到种子”的繁殖周期。在遗传育种的研究中,会大量运用到杂交技术,每次实验都需经历一个完整的植物繁殖周期。拟南芥一年可以繁殖多代,大大提高了实验效率——播种1个月后,就可开花,再过半个月,就能收到它的种子;繁殖期的拟南芥每次都能产出数千枚种子,后代数量多,利于后期的统计分析;自花授粉,则意味着拟南芥的基因高度纯合,保证了其基因的稳定遗传。

最重要的是,拟南芥的基因组小,其基因组大约为1.35亿碱基对和5对染色体。对比一下,人类有32亿碱基对、23对染色体。

研究还发现,拟南芥的隔代遗传,和人类非常相似,现已应用到癌症和神经等疾病的研究方面,用理化因素处理突变率很高,容易获得各种代谢功能的缺陷,且方便对其进行生活力记录。

正是以上特点,让外观不甚起眼的拟南芥,成为生物学和遗传学实验的常驻嘉宾,成为科学家最喜爱的模式植物。

就像小白鼠实验的结论可以外推到人类身上一样,在拟南芥中找到的基因,几乎都可以在其他植物身上找到同源基因。譬如,通过拟南芥,人类知道了植物怎样分化出各种器官、花粉如何萌发、卵细胞如何受精,也知道了植物如何感知光照、感知环境、感知病虫害,以及如何利用植物激素传导信息来调动体内的相应机制去处理、去应对……了解了拟南芥的秘密,也就了解了与我们息息相关的农作物,以及其他植物的秘密。

有意思的是,瑞典的科学家在实验中发现,拟南芥在遭遇害虫叮咬的时候,会合成毒素来驱赶害虫。当然,这不是特例,几乎所有的植物在遭受虫咬时,都会产生应激反应,并向周围的邻居“打电话”告知敌情,以便大伙儿尽快建立起驱虫机制。这个实验的特别之处,在于科学家把害虫咬食叶片的声音录了下来,然后播放给拟南芥听。科学家发现,拟南芥听到这可怕的声音时,它体内的毒素水平也显著上升了。而播放类似于泉水叮咚乃至劲爆迪斯科给拟南芥听时,它则无动于衷。拟南芥竟然能听到害虫撕咬叶片的声音,这意味着植物真的有听觉。

小小的拟南芥,也曾经是解决国民口粮问题的大功臣。这是因为,水稻抗旱能力的增强,得益于在拟南芥身体内获得的一种突变体hrd—D,这种功能基因被科学家表达在水稻中,实现了水稻根系锁水、降低蒸腾、提高光合效率等功效。生长于西北地区干旱缺水的水稻,因此获得了能够抗干旱和抗高盐环境的能力,解决了当时我国水资源短缺的问题,最终让更多的人都吃饱了肚子。

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