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為何苦瓜還會苦?人類「挑食」如何影響作物馴化?台大團隊破解苦瓜不為人知的歷史

李承叡
・2020/05/29 ・2547字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 522 ・七年級
  • 文\李承叡│台灣大學生態學與演化生物學研究所&植物科學研究所

好奇過餐桌上的苦瓜是哪來的嗎?你知道除了苦瓜排骨湯常用的白玉苦瓜和常拿來炒鹹蛋的綠苦瓜,還有各式不同大小、顏色、及形狀的苦瓜嗎?要破解這些問題,許多珍貴的遺傳資源平時就儲藏在農作物種原中心,等著我們去挖掘!

台灣大學的李承叡老師團隊近期和日本研究者以及亞蔬–世界蔬菜中心合作,一同破解了苦瓜的基因體序列,並利用種原中心的收藏,揭開苦瓜不為人知的歷史!

從基因體序列分析發現,苦瓜野生祖先與栽培品系大約在六千年前分家,表示栽培用苦瓜大概在那個時候開始被馴化。栽培品系又可分為南亞(印度、孟加拉)與東南亞(包含東亞苦瓜)兩大群,前者含有較多的遺傳多樣性,顯示印度次大陸是苦瓜的馴化起源中心。大約在八百年前,東南亞族群又從南亞分化出來。

栽培苦瓜的果實顏色、形狀差異甚大。圖\Dey et al (2006)

苦瓜的馴化:一個非典型的故事

野生植物很難被人類直接利用(=不好吃)。廣義來說,馴化指的是人類主動從野生物種的多樣性中挑選出人們喜好的性狀,進而將這些品系形塑成便於人類利用的樣子

經過農夫們數千年的篩選,農作物最後常會擁有與野生祖先型完全不同的樣貌。最有名的例子是玉米與它的祖先大芻草 (teosinte) :相較於玉米,大芻草植株的分枝多、每一果穗上的果粒少、果粒堅硬,與今日皮薄多汁的玉米差異非常大。

圖中左側為大芻草 (Teosinte) ,右側則為現代人們常吃的玉米 (Modern Corn) ,不管口感及顆粒數量都差異甚大。圖\Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

相較於野生苦瓜(果實頂多五公分長、重十多公克),大家熟悉的白玉苦瓜(屬於東南亞族群)果實可以超過二十公分、重達數百公克。這之間的差異當然是由長年強烈又具有單一方向性(增加果實大小)的人為選擇造成的。

但苦瓜的故事其實頗為複雜!除了白玉苦瓜,世上有許多不同的栽培苦瓜品系:果實從小到大、顏色從深綠到白、果皮從光滑到充滿稜脊。再加上遺傳資訊細究下來,有些品系的遺傳背景屬於栽培族群,但果實外貌像野生的。甚至有些人會把野生苦瓜直接拿來栽培,因為喜歡它的強烈苦味。

所以當我們把視野放寬,看到各種連續性的變異之後,所謂野生 vs. 栽培品系的概念在苦瓜身上似乎就變得比較模糊了。

栽培苦瓜的各種變異差距頗大,除了反映遺傳架構,也與不同區域人們有不同喜好有關。圖/Mccreight et al, 2012

苦瓜這樣多變化的差異很可能跟人們的不同喜好有關:相較於東南亞,南亞的人偏好較小(雖然還是比野生品系大)、苦味較強的苦瓜。在農作物馴化的過程中,人擇引導作物改變的方向。當人們對作物的偏好不一致、沒有強烈又單一方向的選擇的時候,各式栽培品系就會被人們的不同喜好形塑地更多樣了。

以後當你想問「為什麼不把苦瓜育種成完全不苦」的時候,別忘記了,其實有不少人是因為它的苦味才去吃它的喔!

為什麼性狀可以這麼多變?「遺傳架構」的排列組合

大家一定都對國中學過的孟德爾遺傳定律很熟悉:單一基因控制單一性狀的類別性差異。類別性就是非 A 即 B 的基因表現,比如,一個基因的突變就能把髮色從黑變褐。

孟德爾的遺傳定律中,提及控制部分植物性狀的原因主要在於特定基因的單一突變。圖\wikipedia

但其實這在自然界中只是特例,自然界絕大部分的性狀都是數量性連續性,比如我們的身高和體重;而不是類別性的。許多數量性狀是由多個基因一起控制:有的基因影響較大,有的影響較小。一個性狀到底由多少基因控制,每個基因又有多大的影響?這就是每個性狀不同的遺傳架構 (genetic architecture) 。

那麼玉米與大芻草的例子,是因為科學家們只看到了連續性差異的兩個極端嗎?

許多經典的馴化性狀都是類別性的,比如從大芻草的植株多側芽到玉米的單一主莖;或是野生水稻成熟後會落粒,而栽培水稻品系不會。這些類別性的外表差異通常是典型的孟德爾性狀,而且科學家們也已經找出控制這些性狀的單一突變。所以這些農作物馴化的典型例子,並不是因為科學家們只關注連續性差異的兩個極端,而是因為這些性狀本身的遺傳架構就偏向孟德爾遺傳

實際的研究討論中,性狀本身是屬於哪種遺傳架構,是屬於數量性、連續性的變化,亦或是類別性的差異,以及人們實際上的偏好是否明確,都對作物馴化最後的表現有很大的影響。

你說的苦瓜,是怎麼樣的苦瓜?

因此在苦瓜這個非典型的馴化的例子中,事情並沒有我們想像的那麼簡單!如前所述,不同地區的人們可能會有不同的食用偏好,這也造成不同基因型會在不同的地區被選拔下來。

從果實型態來說,東南亞的栽培族群型態比起野生或南亞栽培族群更加極端(果實更大、顏色更淺、表面更光滑)。透過基因體資訊,我們也發現東南亞栽培族群在與南亞族群分開後,近一千年內受到強大的人為選擇壓力。

南亞栽培族群雖然早在數千年前就與野生祖先型分家,我們卻無法從基因體資訊偵測到針對性狀的強烈人擇,這可能也跟當地人們並不特別偏好又大又白的苦瓜有關,而苦瓜果實大小是個多基因遺傳的性狀。

有趣的是,我們發現在東南亞族群受到強烈人擇篩選的幾乎都是對性狀影響較小的基因。換言之,在未來有可能透過進一步的育種,篩選出對性狀影響較大的這些基因!

演化基因體學 + 農作物種原多樣性,蹦出育種新滋味

筆者之前的研究為演化基因體學,利用基因體資訊重建族群過去的歷史,並找出影響物種演化的重要基因。目前與各國農作物種原中心合作,希望探究亞洲農作物的馴化歷史以及對獨特環境的適應性。最後更希望能從研究農作物種原多樣性的過程中,找到育種改良的契機。

筆者最後要感謝科技部年輕學者養成計劃(哥倫布計畫)的大力支援,讓筆者團隊得以利用跨領域的知識展開新的研究方向。

論文原文請見:Long-read bitter gourd (Momordica charantia) genome and the genomic architecture of domestication

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李承叡
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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