藏在玉米田裡面的遺傳大秘密,為人類帶來什麼貢獻?

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|張語辰

為什麼要研究植物「減數分裂」?

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收,人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來,科學家利用「遺傳育種」,從大自然的遺傳多樣性中,透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡,透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界,正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中,發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

「遺傳育種」運用的機制之一為:當生殖細胞進行減數分裂時,來自爸媽的同源染色體交換部份 DNA 片段、產生新的基因組合,像「天然洗牌」般完成基因重組。這看似簡單的育種過程,困難關鍵之一在於發生染色體重組的「位置」和「數目」有許多限制。

王中茹與研究團隊發現,當玉米的生殖母細胞進行減數分裂時,有一個關鍵蛋白質 DSY2 會影響 DNA 斷裂和互換。這基因重組的過程,是育種學家尋找更多有用的基因、產生更多遺傳組合,以培育更優良品種的基礎。

王中茹研究團隊鑽進顯微鏡的世界中,發現促成玉米基因「 天然洗牌」的關鍵蛋白質 DSY2 。
攝影│張語辰

探討基因如何透過「天然洗牌」重組的過程,也就是研究「減數分裂時的染色體互換」。雖然是國際趨勢,但在台灣很少人在作物上分析其中的分子機制。因為這類基礎研究不會有什麼立即性的大發現,需要愚公移山的時間與精力。王中茹與相當年輕的團隊,憑著渴望了解新事物的好奇,在這個領域中執著於尋找控制基因重組的關鍵,除了滿足對遺傳學的熱情,更希望可以縮短育種的時程,找到解決糧食危機的機會。

要迅速了解 DSY2 蛋白質的功能,就像要迅速破關瑪莉歐遊戲一樣困難,如果早已忘記國高中課本教的「減數分裂」、「染色體聯會」等內容,讀到這裡可能會怒關視窗。但別急,本文從王中茹的研究生涯專訪說起,像愛麗絲掉進兔子洞般,縮小自己進入顯微鏡的奇幻世界,發現以前課本不會教的染色體奧妙。

擁有人生中第一台顯微鏡,是什麼時候?

國小三年級時,我梭哈自己畢生存的壓歲錢,買了一台兩千多元的兒童型顯微鏡,看到細胞的瞬間我真心覺得『太~酷~了~!』

「水田裡、池塘裡、沙子裡任何東西,可以放在顯微鏡上的我全都拿來看。那時候不認識顯微鏡底下的微生物、草履蟲,也還沒有網路,我哥就拿他的國中課本讓我查,或一起去圖書館找資料,漸漸對顯微鏡中的世界感到神奇。我很喜歡用顯微鏡探索未知的事物,這種新鮮感促使我走上研究染色體和 DNA 這條路。」王中茹興奮地回憶。

超高解析度螢光顯微鏡中的世界不只美,更能發現人類肉眼看不到的細胞奧妙,圖中可以看見玉米染色體的「聯會複合體」結構。此照片獲得 2009 年 OLYMPUS BioScapes 比賽世界第二名。 
顯微鏡攝影│王中茹

第一次看到染色體,是什麼心情?

「第一次看到染色體是大學就讀台大植物系的時候,在遺傳學實驗中觀察洋蔥的根尖細胞。但印象最深刻的是,在研究所細胞遺傳學的實驗中,我們抽了自己的血、養了自己血裡的淋巴細胞,做了自己染色體的核型、排出每一條染色體、觀察染色體的數目和大小,這一切讓我興奮地不得了!」從王中茹的眼中,看見漫畫人物般熊熊燃燒著的火光。

爸爸媽媽在世上能找到彼此已經很不容易,當精子和卵子相遇,才形成「我」。在我的生殖細胞中,他們的染色體還要重新尋找彼此配對,才能傳到我的下一代,這不是很浪漫嗎?

染色體為什麼要在細胞中重新尋找彼此配對?這是生物有性繁殖中最重要的「減數分裂」過程,有減數分裂才能確保爸媽、小孩、孫兒輩都是 23 對染色體,不會生出染色體以倍數成長的子孫。

而在減數分裂過程中,同源染色體會互換一部分 DNA 片段,配對互換的過程可確保正確地將一套染色體傳到細胞中,同時讓爸爸和媽媽給的基因在「我」的生殖細胞透過「天然洗牌」重組,增加更多的遺傳變異性。

這種奧妙的遺傳現象,發生在每一次的減數分裂中,在生物學上極為重要。透過顯微鏡觀察玉米減數分裂如何發生,了解這必要的細胞分裂機制,若能掌握發生的關鍵,就有機會透過控制染色體互換與基因重組,加速育種效率,培育出玉米界的馮迪索抵抗致命氣候,不只強壯也很美味。

爸爸和媽媽的染色體,在細胞中要尋找彼此、配對互換 DNA,才有機會生出更好的下一代。
圖說設計│林婷嫻、張語辰

基因會「天然洗牌」的生物那麼多,為什麼特別研究玉米?

王中茹崇拜地指著 Barbara McClintock 的照片說:「我在大三時對於一直死背教科書中已知的知識感到枯燥、迷惘,那時看了《玉米田裡的先知》這本書,受到 Barbara McClintock 啟發。

王中茹的辦公桌後方貼著偶像 Barbara McClintock 的照片,她終身致力於玉米細胞遺傳學研究,因為發現跳躍基因,被認為是「玉米田裡的先知」。
攝影│張語辰

她是細胞遺傳學家,當時的研究技術還沒有現在這麼先進,她透過長期觀察顯微鏡、做遺傳實驗,在 1940 – 1950 年代就發現基因會從染色體的原本位置跳躍到另一處。但當時的科學家無法想像、也無法理解這麼先驅的發現,加上 Barbara McClintock 是女性不受重視,實驗室就被迫搬到整棟樓最陰暗的角落,就算到處演講也沒有人在乎。她仍然堅持自己的研究幾十年,直到 1983 年才正式得到諾貝爾獎的肯定。

「這個故事雖然辛酸苦情,卻喚醒我小時候透過顯微鏡,看到微小新世界的那股興奮,因為受到 Barbara McClintock 這位細胞遺傳學家的影響,後來我讀台大植物系碩士班時就找了細胞遺傳學的陳其昌老師,從研究菸草的核型開始,博士班時轉為研究螢光定位標記玉米 DNA 的方法和遺傳圖譜。」

玉米是國際間重要的糧食作物,產量和價格都持續攀升。
資料提供│王中茹

「想提高玉米的體質和產量,要從玉米基因組解序下手,了解哪些基因代表玉米的哪些特性。但當年解序時, DNA 片片斷斷位於染色體各處,拼組起來很困難,科學家需要一種方法來分類、指引哪一段 DNA 位於哪一條染色體上,讓研究更好運作。因此我讀博士班時投入大量時間研究『螢光原位雜交 (簡稱 FISH )』技術如何應用在玉米上,建立染色體圖譜,既可增加了解玉米染色體的組成,也有助克服解序時拼組片段遇到的困難。」王中茹搭配當年的研究照片說明。

A圖:壓扁處理的玉米染色體。C圖:維持 3D 球狀的玉米染色體。將選擇好的 DNA 用會發光的染料標記,發螢光的 DNA 會到染色體上尋找和自己互補的 DNA,這種「螢光原位雜交 (FISH)」技術有助科學家了解染色體。
資料提供│王中茹

另外一個讓王中茹堅持研究玉米的原因是,玉米的花粉母細胞比阿拉伯芥、酵母菌的大很多,透過超高解析度顯微鏡可以很清楚地看到細胞減數分裂的過程、染色體如何配對互換 DNA 。而玉米雄花穗有上千個花藥,其中的減數分裂細胞在花穗上依序進入減數分裂,這個特性讓我們容易取得大量同步和相鄰階段的細胞,阿拉伯芥、水稻、哺乳類等其他模式物種都沒有這種研究上的便利。

「當玉米的花藥生長到 1 公厘時,1 個花藥中的 600 個細胞會同時進行減數分裂,並且開始 複製、 DNA 打斷、配對、重組、同源染色體分離……等步驟,我們透過流式細胞儀,將上萬個同時進行減數分裂的細胞一顆顆分離出來,以大數據的角度運用蛋白質體學 (Proteomics)、基因組學 (Genomics) 分析,就能從玉米身上發現別的物種無法提供的資訊,例如哪一段區域的 DNA 和別的區域很不一樣,進而找到影響 DNA 打斷的關聯。」像是發現寶藏般驚喜,王中茹強調研究玉米的優勢。

玉米的花粉母細胞不但很大,同時進行減數分裂的細胞更高達上萬個,這是玉米給我們得天獨厚的大數據資料,能發現什麼就靠我們把握。

在本文中透過王中茹的研究生涯 Q & A,一步步認識染色體、DNA、減數分裂與研究玉米的重要性,而王中茹研究團隊發現什麼關鍵,不但增進科學家了解植物的減數分裂,更可能有助解決糧食危機?將於下篇〈破解!玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵〉揭曉。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為玉米染色體有什麼好看?專訪細胞遺傳學家王中茹,泛科學為宣傳推廣執行單位


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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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