自然界生物种群之间基因的交流

2014-06-30 | 作者: 林忠平 | 标签: 林忠平

提要:转基因现象在自然界无处不在,所有高等生物——包括我们自己——都是转基因的结果。人工转基因与自然界的转基因唯一的差别就在于:人工转基因更加有序、可控。

文/林忠平(北京大学生命科学学院教授)

上世纪70年代人们认识DNA双螺旋结构以后,逐渐理解了性状的表现与基因之间的关系。蕴含生命信息的长链DNA分子中有A、T、C、G四种碱基按不同的顺序排列,4种碱基排序的变化反映着生命演化过程中遗传信息从简单到复杂的变化。每一段碱基的排序都蕴含着一定的生物信息。基因的信息也就是这样构成的,不同的DNA排序调控着生物性状的表现。

现代分子生物学对生命演化中基因的演变已有许多理解。原来物种间基因是有差异的,又有同源关系;人们也理解了雌雄亲本交配过程中基因的交流。生命世界里不同的种群之间既有物种间的基因隔离,也有基因的交流。这样人们可以理解物种间基因多样性的由来,从而进行更加理性的遗传改良。基因始终处于动态变化中——就算是在生物个体发育过程中也经常有基因的损伤和修复。

在几十亿年的生命演化过程中,从DNA分子的形成到其中信息的复杂化,经历过不同种群之间遗传信号的交换。不同物种有共同的祖先,他们之间既有共性,遗传特性也可以有很大差别。假定有两个物种不是近缘的,他们一些基因存在差别,但是外来的基因依然可以通过各种媒介的传递进入一个新的个体内发挥作用,从而产生新的性状,这才形成生物多样性——也就是说自然界就存在基因转移。例如一种野生的玉米,也叫大刍草,其形态与栽培玉米差别很大,但是在自然界两者可以杂交。小麦则是异源六倍体,也是说在生命演变的历史中有3个不同的基因组拼合成了一个新的物种。

如今人们理解了这个过程,便找到开发基因资源的新路子。要把新的基因组合一代一代传递下去,必须符合自然选择的规律。通用的植物基因转移技术也是自然界物种间基因交流的一种现象——这就是农杆菌介导的基因转移方法。自然界中存在的农杆菌将自己的特定一段DNA序列(其中含有若干个基因)插入宿主植物的根部细胞的基因组中,以便寄主植物为其提供营养和居所。农杆菌的一段DNA插入寄主植物的位点有一定选择,外来的基因如果插入位点不合适,这个基因的信息未必能够表现出来。各种转基因技术,也是要从大量不同插入位点中选择出适宜的插入位点,才能使外源基因得到表达。总之,转基因技术也并非随意进行,而要符合自然规律。

在实验条件下通过对DNA片段的切割、连接、重组,研究基因组中ATCG排序的变动所引起的性状改变和遗传特征的变化,人们可以比较准确、方便地控制生命世界的现象。例如某种植物有了外来病毒的入侵,便可以检测出病原病毒的DNA(或RNA)排序。有的物种可能经历过病毒的入侵,它的体内已经含有某种类似病毒的DNA序列,于是它不会再接受外来病毒的侵染。如今人们可以利用转基因技术,导入病毒某种DNA片段,使植物不再被病毒侵染,不致病,于是获得了抗病毒的潜力。

转基因育种操作的最大长处是超越远缘物种的隔离,进行基因的转移。传统育种技术中,雌雄之间有上万个基因的传递,还涉及许多垃圾DNA 。因此这种基因转移很大程度上受到物种差异的限制。现代的基因转移技术通常仅涉及少数(通常是2-3个)基因,因而可超越亲缘关系远近的限制,异源基因可被受体植物所接受。

在双亲交配的过程中,例如植物传粉过程中,如果有少量的异源基因存在于花粉管的通道中,也是可以被携带进入卵细胞的。所以自然界既有物种间基因的隔离,也有基因的交流。这也是维持和发展物种多样性所必须的。外来基因不会随意插入某个基因组,插入的位点是否恰当、是否会得到表达等等,都包含着科学的道理。

历经数千年的传统农业育种,培育了无数优质良种,养育了不断增加的人口。但是人类的长期育种也破坏了自然界的野生物种中原先固有的抗逆性基因。如今人们可以用基因工程技术去恢复品种对自然界逆境的适应力,我们可以利用野生物种的抗逆基因来恢复农作物祖先抵抗不良环境的特性。基因资源和基因操作技术都是值得用心和用力去发展的,我们不赞成转基因便是违背天意的说法。基因不可改变的说法十分荒谬——如果涉及基因的改变就是违背自然,那么我们只好停留在远古洪荒时代。

总之,生命世界里充满着遗传信息的交流和沟通。这种信息就包含在DNA的排列顺序中,一种基因就是一种特定的排列顺序;另外还有许多DNA的排序,会录制出一些小分子的RNA,通过RNA分子去调控基因的行为。这种信息的多样化是物种多样性的基础,我们就生活在这种多变和多样化的世界里。为了我们的明天,我们一定要理性认识基因的本性、基因的行为,用知识去理解、去操控自然界生物的基因,认识和挖掘自然界的基因资源并加以利用。

深入研究不同物种之间的信息交流,我们会惊叹自然生命群体之间的神秘信号,例如有一类绿叶挥发物,其重要功能之一就是招引昆虫传粉交配。这种分子生态学的研究值得我们深入研究。我们实验室在研究某些香精成分的基因调控时也发现,植物的内生菌会从寄主植物获得某些相关的基因,植物的某些基因进入菌类的基因组中,促进某些次生代谢物的生成。这是自然界里的基因转移,对此我们目前还所知甚少。对生命现象的复杂多变性,更需要博雅的思考和深入的理解。

转基因技术是人类在深入理解基因行为的基础上发展出来的一种高新技术。人类发明的任何高新技术都是不可滥用的,都要有科学和严谨的安全性评价。如今,我们对基因工程有许多认识,这些认识的深化也源于对基因操作的试验。如果不把基因分离出来加以复制,并转移到特定的离体细胞中表达,我们就无法认识基因的功能。对生命现象的这种研究,及对其理性的利用,显示了人类的智慧,有了智慧才有可能更多享受自然的恩惠。

来源:基因农业网

相关文章