遗传学三大定律 玉米成为遗传定律的叛徒？60年前她早就用玉米彻底颠覆了遗传学

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玉米成为遗传规律的叛徒？六十年前，她用玉米彻底颠覆了遗传学

在生物学上，孟德尔的遗传定律可以说是遗传学不能失败的旗帜。

但是世界那么大，不是所有生物都愿意服从的。

例如，在裂殖酵母中发现了违反孟德尔定律的自私基因。

其实普通的玉米就是一个隐藏很深的叛徒。

根据孟德尔定律，大多数生物的基因是成对存在的，它们都有相同的概率遗传给后代。

但是最近，乔治亚大学的遗传学教授凯利·道和他的团队发现:

利用“烟幕”，很多玉米基因可以在75%左右的时间内传递给下一代。

因此，这些玉米骗子不仅违反了孟德尔的铁律，将来还可能产生新的规则。

你认为玉米是唯一的叛徒吗？

大约60年前，它给人类带来了前所未有的“基因转座”发现，彻底颠覆了人们对遗传学的认知。

如今，这一划时代的发现已广泛应用于基因工程、分子生物学、发育生物学、疾病预防、转基因等领域。

然而，它的发现者芭芭拉.麦克林托克却遭到了同行的嘲笑、奚落和冷落。

直到30多年后，她的研究成果终于得到认可，她独自获得了诺贝尔生理医学奖。

芭芭拉·麦克林托克在诺贝尔奖上的演讲

我们知道基因研究有三大法宝，果蝇，豌豆，玉米。

其中，玉米因其种子数量多(每个玉米粒可以作为种子)和育种周期短而受到研究者的青睐。

20世纪初，康奈尔大学对玉米遗传学研究的热情堪比果蝇遗传学。

作为那里的学生，芭芭拉·麦克林托克自然选择了研究玉米。

芭芭拉并没有因为从小喜欢学习科学而受到青睐，但她最终成功获得了植物遗传学博士学位，成为了一名女科学家。

在当时不重视女性的科学界，她的研究道路似乎更加艰难。

她总是需要为自己的独立研究四处教书，或者寻求很少的财政援助。

幸运的是，她特别的帮手玉米，从来没有让她失望过，反而总是给她带来惊喜。

每当她在遗传学上遇到无法回答的问题时，她立刻想到从玉米中获得奇妙的答案。

为了揭开染色体和基因的奥秘，她不厌其烦地种植玉米，折断木棍，用显微镜仔细观察玉米种子和叶片。

用当时新发明的生产方法，她仔细分辨了玉米染色体的长度、形状和排列。

在她的努力下，她还发表了一系列基于玉米实验的高质量遗传学论文。

1931年，她和研究生哈里特·克莱顿发表了一篇里程碑式的论文。

本文提出的实验证据令人信服地证实了基因与染色体之间的关系，这是证明基因存在于染色体上的最后证据。

就这样，她凭借对玉米的研究在科学界声名鹊起，使玉米遗传学得到更多关注。

可惜由于体制对女性的偏见，她很长一段时间都没能获得稳定的职位。

为此，她还在朋友的实验场地种玉米，借用别人的实验室做研究。

后来，她终于成为了密苏里大学的助理教授，但是她的工资始终低于其他男性研究人员，远远不够后续研究费用。

还好她一开始没在意，只是想做好自己的研究。

即使她以扎实的科研能力成为美国基因学会副会长，对她的工作也毫无帮助。

她仍然被排除在各种教师交流活动之外，看不到晋升的希望。

她于1941年离开大学，来到冷泉港实验室工作。

冷泉港实验室

之后事业慢慢好转，1944年当选美国科学院院士，次年被任命为美国遗传学会会长。

当时，她打破了人们对女性的固有偏见，被公认为唯一杰出的女科学家之一。

然而，她努力了大半辈子的荣誉，几乎被一个划时代的发现毁掉了。

事实上，在早期对玉米的研究中，芭芭拉发现在一些玉米种子中发现了玉米色素，呈现出一些奇怪的图案。

她观察到玉米籽粒颜色的遗传非常不稳定，有时籽粒上有一些不规则的斑点。

当时的遗传学家普遍认为这些现象是基因突变造成的，并不稀奇。

但芭芭拉显然对这个简短的回答不满意，她希望找出背后的真正原因。

她每天都仔细观察玉米粒和叶子颜色的复杂变化。

然后，她把收集的材料带回实验室，在光学显微镜下研究玉米染色体的断裂和重组。

经过耐心的记录和仔细的分析，她发现给谷物着色的色素基因在特定的位置是“连接”或“断裂”的。

但这些变化是任何现有理论都无法解释的，她知道这会带来新的发现。

为了严谨起见，她观察了六年，积累了大量的实验证据，才总结出玉米上那些奇怪斑点背后的真相。

她很高兴地把它们写成两篇论文，《玉米可变位点的起源和行为》和《染色体结构和基因表达》，发表于1951年。

在她的论文中，她指出基因可以移动，从一个染色体位置跳到另一个，甚至从一个染色体跳到另一个染色体。

简单来说，基因可以像跳舞的精灵一样在染色体上“跳跃”。

她把这些自发转移的基因称为“转座因子”，指出它们不仅具有跳动的特性，还控制着其他因子的开闭。

不久之后，她详细总结了在玉米中发现的“Ds Ac换位控制系统”。

我们假设基因C是控制某些色素产生的结构基因。

在它附近，有一个Ds基因(称为解离因子)，可以以一定的速率关闭C基因的表达，使色素无法合成。一旦Ds基因离开C基因，即从原来的位置断裂或脱落，C基因再次表达，谷粒就显示出原来的颜色。

这个图中，10的种子是无色的，没有Ac基因。11到13之间，有一份Ac。Ds可以移动，产生一些花色素苷形成马赛克图案。面板14的内核有两个Ac元素，十五个中有三个。

而Ds基因是否能起作用，也就是说是否能从染色体上解离下来，是由第三基因Ac(称为激活子)控制的。

当Ac基因存在时，Ds基因与染色体解离，从而解除其对C基因的抑制。

当Ac不存在时，Ds不解离，C基因被抑制。

这些控制因子跳动得如此之快，以至于它们控制的颜色基因打开和关闭，然后玉米颗粒出现斑点。

但当时科学界还没有真正揭开染色体的面纱。

大家都认为基因是一个很稳定的东西，它在染色体上的位置是固定的，有一定的位置、距离和序列。

人们从来没有意识到，更没有想象到，基因会从一个地方跳到另一个地方。

这个超出科学家认知的实验结果根本不愿意相信，几乎所有科学家都认为是“这个女人疯了”。

即使芭芭拉在会上列举了大量细胞学证据来支持她的说法。

但是当时没有人愿意听她的推理和判断，都被归为“附身”幻想。

然而，她始终相信，这些年来她的实验结果从未改变。

这让她在科学界被视为异类，多年积累的威望一下子从光辉的顶峰跌落到谷底。

她被遗传学抛弃，朋友同事也渐渐疏远她。

她不得不独自生活，继续研究玉米。

自1953年以来，她从未发表过自己的理论。

直到1961年，法国科学家雅各布和莫诺提出乳糖操纵子模型，揭示了生物体内基因调控的机制。

乳糖操纵子位于大肠杆菌和其他肠杆菌科细菌中。

它包含三个相连的结构基因，启动子、终止子和操作基因。这些基因的跳动可以操纵和控制乳糖的转运和代谢。

乳糖操纵子模型

听到这个消息，麦克林托克非常激动。在她看来，乳糖操纵子模型和她的转座系统一模一样。

科学界很快接受了雅各布和莫诺的理论。

为了再次引起科学界对她的研究成果的关注，她专门写了一篇论文《玉米与细菌遗传控制系统的比较》。

但是当雅各布和莫诺获得1965年诺贝尔奖时，没有人愿意接受她的转座因子。

他们仍然把她的理论视为另类和异端，但显然是类似的模式。为什么他们不能接受她的理论？

这给刚刚点燃希望之火的她泼了一盆冷水。幸运的是，她已经习惯了这种冷漠。

她说，这些年的经历告诉我，改变一个人对自然科学的认知是非常困难的，这种改变需要随着时间的推移不断打磨。

直到20世纪60年代中后期，当人们把基因工程作为一种强大的新工具时，他们终于在细菌中发现了“转座子”。

这引起了人们对芭芭拉研究工作的兴趣。

在整个20世纪70年代，分子遗传学家也发现了越来越多的可移动或可转移的遗传因子。

这些因素不仅存在于细菌中，也存在于高等动植物中。

人们惊讶地发现，科学界花了30多年才赶上她的理论。

他们还承认芭芭拉的术语“转座因子”是用来描述所有可以插入基因组的DNA片段的。

1983年，81岁的芭芭拉终于得到了世界的认可，终于登上了诺贝尔奖的领奖台。

她也成为历史上第一位独自获得诺贝尔奖的女科学家。

这个迟到了三十多年的荣誉，终于来到了她的身边。

卡罗琳医学院还将芭芭拉的成就与百年前遗传学的伟大先驱孟德尔的成就相提并论。

如今，转座子理论得到了不断的延伸和拓展，也应用到了基因工程、疾病预防、转基因等前沿生物学领域，给人类带来了新的技术突破。

然而，芭芭拉在1992年去世了。她一生未婚，没有孩子。

但是如果芭芭拉没有一辈子坚持玉米，我们今天可能仍然没有机会互相了解。

参考数据

1.芭芭拉·麦克林托克。维基百科

2.任一生的核心丰碑。锲而不舍情有独钟——纪念诺贝尔奖获得者、伟大女科学家芭芭拉·麦克林托克诞辰100周年[J]。Xi联合大学学报，2002(04):110-111。

3.崔鹤童。诺贝尔生理医学奖得主麦克林托克[J]。绿苹果，2012(03):45-46。