别小瞧玉米！彩色果粒里跳出遗传学变革

现如今，玉米是世界三大粮食作物之一，地位仅次于水稻和小麦。这样的“光环”让我们忽略了这种植物在科学发展史上，特别是遗传学发展史上作出的突出贡献。毫不夸张地说，玉米的一些特性彻底改变了人类对于脱氧核糖核酸（DNA）的认识，这是一个怎样的故事呢？

跳跃基因会影响玉米籽粒的颜色（图源《知识就是力量》杂志）

人类种植和食用玉米的历史相当悠久，在史前时期，中南美洲的印第安人就开始种植和食用玉米了。可以说，正是玉米这种植物撑起了南美洲的人类文明。玉米之于南美人，就像水稻之于东亚人、小麦之于西亚和欧洲人一样重要。随着意大利航海家哥伦布发现美洲大陆，玉米的足迹也逐渐遍布世界各地，成为不同人群的主食。

在欧洲最早的药典——《佛罗伦萨药典》中有关于玉米的描绘：“在贫穷年代，人们会嚼玉米秆和高粱秆来获取糖分。”

不过，如果我们以今天粮食作物的标准审视玉米的祖先——类蜀黍（大刍草），那它可是一点可取之处都没有——一棵类蜀黍上有很多分枝条，每个分枝条上都有一些细瘦的穗子（就像我们今天看到的狗尾草），穗子上只有寥寥数个果粒，更要命的是，每个果粒都被硬壳包裹着。

那么，为什么玉米的祖先恰好能变成人类喜欢的样子呢？

这就需要讲述另外一个关于彩色玉米粒的故事了。

在20世纪40年代之前，遗传学界有一个共识，那就是生物的DNA序列是恒定的。简单来说就是基因在染色体上的位置是一成不变的。但是，一位叫芭芭拉·麦克林托克的美国科学家发现了一种特殊的现象，在杂交试验中，有一些基因在染色体上的位置会发生改变，就像是基因在染色体上跳来跳去一样，这就是跳跃基因（也被称为转座子）。

后来，麦克林托克发现跳跃基因不仅会影响玉米叶片的颜色，还会影响玉米籽粒的颜色。例如，当某个基因发生跳跃时，玉米籽粒中合成花青素的基因就会打开，这些玉米籽粒就会变成彩色。而且，基因是否会发生跳跃还会受到其他基因的控制。

从“垃圾DNA”到“淘金胜地”

值得关注的是，生物的DNA上存在很多所谓的“垃圾片段”，因为这些基因不能指导蛋白质的合成，自然就被认为没有什么实际用途。由于当时的科学界并不清楚这些“非编码DNA”的实际功能，于是在1972年，美国加州理工学院的科学家大野·乾赋予它们一个名称——“垃圾DNA”。

然而，随着分子生物学的发展，人们发现，这些所谓的“垃圾DNA”发挥着难以想象的作用，甚至比编码DNA更重要。比如跳跃基因就发挥着基因表达开关的作用，它们可以决定玉米籽粒中花青素基因是否打开。

2009年，全新的玉米基因组测序结果出炉。令人吃惊的是，玉米基因组中有85%的序列都属于麦克林托克发现的跳跃基因，这也就解释了玉米的祖先——类蜀黍，为什么会有那些匪夷所思的变化，毕竟抽奖的次数多了，总会有撞大运的时刻。

其实，在人类基因组中，也有98%的信息是看似无用的“垃圾”。而这些非编码DNA往往执行着重要的生命功能。当年的“基因垃圾场”已经成为科学家们的“淘金胜地”，对于非编码DNA的深入研究，必将把人类对生命的认识推升到全新的高度。