【植物百科】野生大豆的馴化關鍵在種皮
撰文｜葉綠舒
野生的植物為了要讓自己的種子能度過嚴苛的環境，有些便演化出了不透水、不透氣的種皮，讓種子可以埋在地裡幾個月不發芽。
不過，雖然不透水、不透氣可以讓種子保存很長一段時間，但在農業上卻不利於耕作。五千年前，中國華北地區的農夫由野生大豆（Glycine soja）中選出種皮可以透水的栽培種；栽培種的大豆泡水15分鐘後種子便發脹，一兩天內便可發芽。最近，普渡大學（Purdue University）的研究團隊，為了要找出使野生大豆種皮不透水透氣的關鍵，將野生大豆與栽培種雜交後，終於找到了關鍵基因：GmHs1-1。（Hs是「堅硬種皮」hard-seeded的意思）
為什麼要找到這個基因呢？有兩個原因。第一，過去的研究發現，種皮較堅硬的大豆，所含有的鈣質較高，也就是說，營養價值較好；第二，美國的氣候較乾燥，傳統栽培種大豆的種皮，因為會透水透氣，使它們在美國的氣候下無法久儲。
研究團隊先將野生大豆與栽培種雜交，得到的雜交第一代，全部都有堅硬的種皮；也就是說，堅硬種皮的基因其實是顯性（dominant）。
接著進一步分析，找到決定大豆種皮的基因應該是位於第二號染色體。這與過去的發現相呼應。接著，研究團隊進一步深入尋找，終於在第二號染色體上找到了GmHs1-1基因，是一個類鈣調磷酸酶蛋白（calcineurin-like protein）。野生種大豆與栽培種的GmHs1-1，唯一的差別在於其中一個氨基酸因為基因突變，由蘇氨酸（threonine）變為甲硫氨酸（methionine）。
當他們把野生大豆的GmHs1-1轉殖到栽培種大豆之後，栽培種大豆便有了堅硬種皮。同時，轉殖大豆的鈣含量也比栽培種的要高。這個基因主要表現在種皮的Malpighian layer上，使野生大豆的種皮（特別是這一層）比栽培種大豆要厚。
研究團隊分析了195個來自於中國的栽培種大豆，其中只有9個品系帶有野生種的GmHs1-1，剩下的186個品系都是栽培種的序列（即甲硫氨酸突變種）。這個發現也進一步支持研究團隊的假說：GmHs1-1的確是決定堅硬種皮的關鍵基因。或許附近也有其他基因影響到種皮，但GmHs1-1的確有關鍵的決定性。
這個發現，也提供了更多的證據支持戴蒙（Jared Diamond）在「槍砲、病菌與鋼鐵」中提到，作物要馴化，初期性狀的改變多半都只是一個或兩個基因的變化所造成；畢竟古人並不是什麼遺傳學家、也不懂分子生物學、更非有經驗的農夫；因此，如果長年累月地種植，卻無法得到好用的品系，這種作物便會被棄而不用了。
參考文獻：
Ma J. et. al., 2015. GmHs1-1, encoding a calcineurin-like protein, controls hard-seededness in soybean. Nature Genetics. doi:10.1038/ng3339
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作者：葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
