土豆基因新发现

古 力

英国人彼得·格雷的《爱尔兰大饥荒》引用爱尔兰的一句谚语说：“穷人的餐点——除了小土豆就是大土豆。”在19世纪40至50年代，严重依赖土豆为生的爱尔兰人遭遇了一场土豆歉收的大饥荒，结果造成约110万人死亡，幸存者中大量的人移民到美国和加拿大，这使得美国的人口成分发生了重要的改变，美国前总统肯尼迪和克林顿就是爱尔兰移民的后裔。

寻找致病基因

爱尔兰大饥荒的原因有很多。不过，研究人员一直在探讨是什么样的致病菌导致了当时的土豆歉收。导致土豆大量死亡的元凶是一种病菌。研究人员一直在探索它的基因。这种探索有点像追踪1914年至1918年导致4000万至5000万人死亡的西班牙大流感的病毒基因一样。致使农作物患病的病原菌如同致人患病的病菌一样，都可以从基因上探索它们致病力的强与弱、传播的途径和危害性。尽管农作物患病歉收导致人类的灾害是间接的，但有时候并不亚于直接致人以死亡的疾病，爱尔兰的大饥荒就是如此。因此，这样的研究在今天可以为防止这两类大灾难提供有益的知识、经验和教训。

爱尔兰大饥荒中的土豆歉收过去一直认为是农作物的晚疫病菌(一种真菌)所引起。晚疫病菌是卵菌或水霉菌的一个成员，在遗传上它与疟原虫有着更为亲密的关系。

今天，研究人员终于发现这种晚疫病菌的遗传秘码，并将研究结果发表于英国的《自然》杂志上。晚疫病菌的基因组要比一般的真菌大很多，它的外部装裹了额外的DNA，使得它能很快适应环境，以进攻宿主，如土豆，造成作物大量死亡。

进行这项研究的美国麻省理工和哈佛联合学院的查得·努斯鲍姆指出，晚疫病菌的基因组比它的一些同类细菌还要大得多，原因在于它拥有一些复制其自身的跳跃基因。

晚疫病菌的基因组约75％充满了重复的DNA，这好像是一种快速的进化。这种进化使得病菌能迅速演化出可以进攻植物宿主的基因。这也能解释为何晚疫病菌能毁坏在遗传上对晚疫病有抵抗力的土豆。多年来，晚疫病一直对作物造成严重的危害，即使在今天人们可以使用大量的杀虫剂，但也只有少数杀虫剂能对付它们。

晚疫病通过孢子传播，对全球的粮食安全造成了极大威胁。在美国，从迈阿密到俄亥俄州，晚疫病是目前家庭花园中土豆和西红柿的主要杀手，并威胁到这些地方的商业和农场。这种病导致土豆绿叶上环形的绿霉或棕色斑点，并且让杆茎发黑，在几天之内就让庄稼毁灭。

基因的比较

为了弄清晚疫病菌为何有如此大的杀伤力，研究人员破译了它的基因组并与其两种亲属——大豆疫霉病菌(P.sojae)和橡树疫霉病菌(P.ramorun)的基因组进行比较。大豆疫霉病菌主要是感染大豆，而橡树疫霉病菌则会导致橡树和其他树突然死亡。

研究人员发现。晚疫病菌的基因组是它的两个亲属的基因组的2.5到4倍大，而且有两个显著的区域成全了它的攻击性。一个区域充满了产生迅速变化的DNA拷贝，是一个富含重复基因的区域。这个基因密集区域也包含大量对感染植物起重要作用的基因，例如它们与损害作物的霉菌属基因有共同点。而另一个区域则包含着数百万年进化以来所保留的基因。

由于晚疫病菌的基因变异非常迅速，它们能对作物产生更大的攻击性，对作物的致病力也更强。变异基因当中有一种关键基因称为“效应器”基因，它能瓦解和破坏作物的正常生理功能，因而能为自己的生存建立一个根据地。但是，晚疫病菌的这些基因也可能促发作物的免疫系统产生反应，从而把这些基因当作晚疫病菌感染的最初目标来防御。

正是由于作物的免疫系统的抵抗作用，使得晚疫病菌启动了基因的快速变化来反制作物的免疫系统。晚疫病菌的富含大量重复基因的区域就像一个孵化器，使得能对作物感染的病菌的关键基因快速地产生，又迅速地死亡。结果，这些致病的关键基因就既能随时起作用，又随时丢失，作物的免疫系统也就难以识别和打击它们，因而难以抗御病菌的入侵。

对晚疫病菌基因的分析和对比也发现，可以通过它们的“效应器”基因来识别以前尚不知的其他致病“效应器”基因，特别是可以识别两组重要的致病基因，如RXLR基因和哥伦比亚根癌线虫(CRN)基因。RXLR基因是镰刀形疟原虫向人类红细胞中转移所需要的基因，而CRN基因也能导致土豆染病并歉收。这对今天防止土豆、西红柿和橡树等植物的病害也有重要意义。

晚疫病菌的基因分布反映了它的生存战略，它能迅速产生成千上万的攻击性基因，这些基因又比其他寄宿于农作物的病菌进化得更快。因此，晚疫病菌有强大适应性和突变能力。

早在2001年6月7日，美国北卡罗莱纳大学的植物病理学家琼·里泰诺在英国《自然》杂志上发表报告说，引起1845年到1850年间爱尔兰土豆大饥荒的不是过去所认为的来自墨西哥的US-1的菌株，而是另外一种菌株。里泰诺和同事们对英国保存的大饥荒土豆枯叶进行研究，分析了上面遗留的晚疫病菌的DNA，证明这些DNA特征与US-1菌株并不相同。今天，研究人员终于初步弄清了晚疫病菌的基因组，这对于防治今天的土豆疫情也有重要的帮助作用。

但是，仅仅弄清土豆的致病原因还不够，因为这不足以解释当时欧洲普遍出现土豆的晚疫病，但却只在爱尔兰产生大饥荒的现象。这就要从农业指导思想和社会关系上找原因。其中一个重要原因就是，爱尔兰人把鸡蛋装在了一个篮子里，或者说，他们只有一种食物可以依赖，这就是土豆。

晚疫病菌的强致病基因固然是土豆歉收的重要原因，但种植的单一和经济的贫困才是爱尔兰大饥荒的更重要的原因。(文章代码：2106)

责任编辑张田勘