六千年前大麥基因的秘密

■歐洲的研究團隊,從在以色列朱迪亞沙漠的約拉姆洞穴裡發現的大麥,將六千年前的大麥基因體給定序完成了。

大麥。圖片來源:Wikipedia
大麥。圖片來源:Wikipedia

撰文|葉綠舒

看過大麥嗎?吃過大麥嗎?我想在台灣的朋友,應該都會對上面那兩個問題搖頭。雖然大麥(Hordeum vulgare L.)現在已經不再出現在餐桌上了,但是它其實是在同一時期跟小麥一起被馴化的穀物;也就是說,西亞文明是建立在大麥與小麥(二粒小麥,emmer)上的。

由於大麥比麵包小麥耐旱耐鹽,成熟期比小麥短,對肥份也不那麼挑剔,所以在肥沃月彎、雅典兩個文明的晚期,當土地因過度開墾與灌溉而逐漸鹽化、失去肥份時,大麥便取代了小麥(當時的小麥已經不是二粒小麥,而是麵包小麥了)成為主要穀物。

時至今日,我們對大麥的印象,已經從餐桌上的主食變為飼料;但其實大麥仍然是釀酒(尤其是啤酒)的必需成分。由於大麥含有兩種澱粉酶(α-與β-amylase),有它的存在,澱粉可以加速分解;另外在釀酒時,大麥的外殼可以形成天然的過濾層;所以雖然我們不再直接食用大麥,它卻以「轉一手」的方式,出現在我們的餐桌上(動物的肉、啤酒)喔!

最近這些年,隨著分子生物技術的突飛猛進,我們看到了許多生物的基因體相繼解碼;從1995年流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae)的基因體被解碼後,1996年啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)成為第一個基因體被解碼的真核生物,然後在2000年的阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)、2001年人類基因體...

基因定序技術,隨著一次次的「練兵」也一日千里。但真正讓大家覺得大開眼界的是,古代生物的基因定序。

古代生物的基因定序之所以不容易,簡而言之,是由於我們的基因體(成分為去氧核糖核酸)也會持續遭受化學損傷與外來的輻射損傷;但當我們還活著的時候,身體有許多機制可以修復基因體,一旦我們呼出最後一口氣以後,修補機制也跟著停擺,於是損傷便開始累積。再加上,細胞也因為沒有能量可以維持基本的活動,而開始分解;最後,還有我們周圍的多數民族(細菌)們也會開始分解、吞食我們...所以能留下給我們定序的量實在是不多!也因此,在2010年,當帕波博士將尼安德塔人的基因體定序完成時,真的是非常的轟動啊!

相對於動物,古代植物的基因體似乎更不容易被保存下來!這是由於植物在構造上,因為缺乏了動物的骨骼等構造,使得它的基因體比動物更容易被分解。因此,雖然目前已有不少古代動物的基因體被定序,但能被定序的古代植物真的不多。

最近歐洲的研究團隊,從在以色列的朱迪亞沙漠(Judean Desert)的約拉姆洞穴(Yoram Cave)裡發現的大麥,將六千年前的大麥基因體給定序完成了。

得到六千年前的大麥的基因體序列,我們能知道什麼呢?

光是看它的序列,當然無法知道太多;不過,當研究團隊把它與馴化大麥以及現在仍在當地生長的野生大麥的基因體做比較時,就發現六千年前的大麥(下面簡稱為古大麥)的BTR1基因,與馴化大麥一樣有突變。這個基因,以及另一個稱做BTR2的基因,與大麥成熟後穀粒是否會馬上脫落有關;因此它們被認為與馴化相關。當地(黎凡特南部)的大麥品系,很多都帶有這個突變,所以這也顯示了這個大麥應該是當地的馴化品系。

而另一個基因VRS1的序列則讓我們知道,古大麥應該是二稜大麥(two-rowed barley)而非六稜大麥。由於大麥是自交作物,不同區域的大麥,在年復一年的種植之後,會累積一些區域性的變異;研究團隊比較了古大麥與許多現代大麥以及野生大麥的基因體後發現,古大麥與位於上約旦河谷的大麥親緣最接近。在考古學上,這一帶也被認為是大麥最早被馴化的地點。

不過,最讓研究團隊驚訝的是,古大麥與現代大麥的基因體並沒有太多不同。雖然肥沃月彎這一帶在古代是兵家必爭之地,但征服者似乎並沒有帶著自己的種源過來,而是選擇了使用當地的種源。究竟這意味著征服者也有不錯的農業知識水平,知道要種植在地穀物比較容易有好的收成;或者只是代表征服者本身不從事農業,選擇驅使當地農民來為他們耕作,就只能讓答案隨風而逝吧。

參考文獻:Martin Mascher et. al., 2016. Genomic analysis of 6,000-year-old cultivated grain illuminates the domestication history of barley. Nature Genetics.

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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。

 

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