研究发现玉米中的“尼安德特基因"——一个“自私”的遗传元件

　　2024年8月4日，Nature杂志在线发表了来自美国冷泉港实验室Robert A. Martienssen实验室题为“Teosinte Pollen Drive guides maize diversification and domestication by RNAi”的研究论文，该研究通过玉米-大刍草杂交种构建分离群体，利用最新的单花粉粒基因组测序技术，成功定位到了毒素-解毒剂系统背后的基因。这无疑是经典遗传学的辉煌展示，这让我们重新思考复杂生物学问题背后，都是经典遗传学规律在指导。

　　9000年前玉米首次在墨西哥低地被驯化。大约5000年后，玉米与一种来自墨西哥高原的物种——墨西哥大刍草(teosinte mexicana)杂交。这次杂交使玉米具备了耐寒性。杂交后的玉米传播至整个美洲大陆，成为我们饮食中重要的一部分。但它为何能如此迅速地适应环境?是什么生物机制使高地作物的特性得以保留?

　　20年前，威斯康星大学的研究员Jerry Kermicle发现将半不育的大刍草杂交种与传统玉米杂交，但它们的后代表现得非常异常。按正常遗传规律，后代最终应完全不育或完全可育，即预期的分离比是1：1。但无论Kermicle将杂交种与传统玉米(W22)杂交多少次，所有后代仍然是半不育，即实际观察到的分离比是0：1。这是怎么回事?

　　为了弄清楚背后的原因，Jerry Kermicle实验室与Martienssen实验室合作对半不育后代的数百个花粉粒基因组进行了测序。他们发现每个花粉粒中都有来自大刍草基因组的相同片段。

　　墨西哥大刍草花粉驱动(TPD)和Tpd1及Tpd2的基因定位

　　研究发现有两段基因组区块，一段在5号染色体上，另一段在6号染色体上，总是共同遗传下来。这暗示我们，造成上述现象的基因一定在这些区域内。进一步研究表明在5号染色体上，他们发现一个名为Dicer-like 2的基因，它在半不育杂交种中总是产生一组小RNA，而在玉米中则没有。通过这一发现，Martienssen实验室能够精准定位他们，并称之为大刍草花粉驱动(Teosinte Pollen Drive，TPD)现象。

　　单粒花粉的基因组测序揭示了TPD自私的遗传方式

　　来自墨西哥大刍草5号和6号染色体的毒药-解毒剂体系(A toxin–antidote system)

　　这种“自私”基因系统消除了缺乏基因驱动的竞争花粉粒。它使玉米-大刍草杂交种通过雄性传递某些特性的概率高于雌性。这一发现可能对农业产业有重大影响。但在Martienssen看来，这一发现的意义远超其潜在的除草应用价值。

　　墨西哥大刍草花粉驱动(Teosinte Pollen Drive，TPD)的机制模型

　　“我更兴奋的是它在进化方面的意义，这可能意味着驯化过程比我们想象的要快得多，” Martienssen说。如果墨西哥大刍草是“玉米中的尼安德特人”，那么TPD可能是玉米中的“缺失环节”。这一突破不仅可能解释玉米如何在美洲广泛繁衍，也可能解释为什么某些小RNA在植物和动物的精子细胞中如此常见，包括我们人类的精子细胞。

　　墨西哥大刍草花粉驱动(Teosinte Pollen Drive，TPD)的进化模型