【植物百科】野生大豆的馴化關鍵在種皮

野生大豆(Glycine soja)。圖片來源:wiki
野生大豆(Glycine soja)。圖片來源:wiki

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

--
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。

 

加入好友

2,530 人瀏覽過

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: