老葉的植物王國

  DNA甲基化。圖片來源：維基百科 眾所周知，育種（breeding）是將兩個不同的品系的同種生物雜交後，經過選擇找出具備兩者優點的新品系。 聽起來好像不難，但是中間牽涉到很多眉眉角角。以植物為例：首先要知道這個植物的花什麼時候開。有些植物（如水稻）是一大早開花，很快花粉就失去活性，所以要幫水稻雜交一定要早起。而有些植物則是雌雄花在不同的時間點開花（例如南瓜是雄花先開），所以如果運氣不好，可能兩株南瓜連一朵可以授粉的雌花都找不到。更不要說有些植物有所謂的「自交不親和」，如果你想要雜交的兩個品系剛好是同一類型的，那麼就不會成功了。 好不容易完成雜交，接下來的工作就是交給植物了。什麼樣的工作呢？ 要產生我們想要的、具備兩者優點的新品系，需要雜交第一代的植物在產生雜交第二代時，父母本的基因發生「互換」。學過減數分裂就知道，在生物產生配子（生殖細胞）時，同源染色體（也就是來自父母的、攜帶同樣的基因的染色體）會發生聯會，而這時候就會有機會染色體之間發生互換。 發生互換以後，才能達成所謂的「我泥中有你，你泥中有我」的境界。但是，科學家發現，不是染色體的任何一個區域發生互換的機率都是相等的。在染色體上的有些區域，特別容易發生互換，被稱為所謂的「熱點」。當然，也有特別不容易發生互換的區域，但是好像就沒有特別的名稱（「冷點」？！）。 到底為什麼會有「熱點」呢？哥倫比亞的科學家們研究了水稻發現[1]，水稻互換的熱點與所謂的「CHH」序列有關。 什麼是「CHH」序列呢？CHH序列指的是DNA中的特定核苷酸序列，其中「H」代表除了G（鳥嘌呤）以外的任何核苷酸（A、T或C）。所以，CHH序列包括CAA、CAT、CAC、CTA、CTT、CTC、CCA、CCT和CCC等多種可能的組合。 研究團隊對於這樣的現象感到好奇，想知道水稻的這個現象能不能進一步擴展到其他的植物；於是他們看了阿拉伯芥、番茄、高粱、玉米[2]。他們收集了這些植物的DNA，分析了甲基化的序列，然後用機器學習模型去找出規律。 結果顯示，在某些植物物種中CHH上下文的甲基化與重組率之間存在正相關，CG和CHG甲基化上下文則顯示出與重組率的負相關。甲基化數據在預測高粱和番茄的重組中特別有效，平均決定係數分別為0.65±0.11和0.76±0.05，這確認了單子葉和雙子葉物種中甲基组的重要性。 雖然研究團隊...

  近觀青花菜的「頭」，可見發育完全的花苞。 圖片來源： 維基百科 大家對發源於地中海區域的花菜都不陌生，應該兩種花菜也都吃過（喜不喜歡就是另一回事了）。但是大家是否有注意過，兩種花菜的「頭」（花序）其實長得很不一樣呢？事實上，我們吃花椰菜（cauliflower）是吃它未分化的花苞與花梗，但是青花菜（broccoli）卻是吃它的花莖與花蕾喔！下次吃的時候仔細看一下，應該很容易可以看出區別的！ 過去種植青花菜的經驗發現，青花菜花球發育適溫為15~18℃；因此「臺灣11月到隔年4月為青花菜之盛產期，平地5 月到10月則因高溫導致青花菜生育差、不結球或花球品質不良現象如花球不平整、插葉、貓眼、焦蕾等」，仔細觀察可以看到，這時候的青花菜長得有點像花椰菜。到底是怎麼一回事呢？ 最近的一項跨國的研究發現，原來是因為在高溫時，與花朵發育相關的基因--稱為floral development cessation-associated genes (FCGs)--甲基化（methylation）所造成的。研究團隊發現，當他們把抑制甲基化的藥劑阿扎胞苷（5-azacytidine）使用在青花菜上，青花菜可以在高溫下長出正常的花球。 這個發現可以幫助農民在暖化的地球上更可能成功種植出青花菜來。 參考文獻： Zilei Yao, Lu Yuan, Ke Liu, Tingjin Wang, Bin Liu, Yan Zhao, Susheng Gan, Liping Chen. Warming-induced changes of broccoli head to cauliflower-like curd in Brassica oleracea are regulated by DNA methylation as revealed by methylome and transcriptome co-profiling . Molecular Horticulture, 2022; 2 (1) DOI: 10.1186/s43897-022-00047-8 陳葦玲、蕭政弘 、蕭瑞展。 高溫逆境下青花菜之生理、組織結構變化及開花表現之研究 。臺中區農業改良場研究彙報 121: 9-24 (2013)

  圖片來源：維基百科 近交衰退（Inbreeding depression）發生在動物與植物近親繁殖的個體之間。過去科學家們認為，會發生近交衰退可能是因為近親們基因相似，造成有害基因過度表現或是優勢基因因為過量表現造成抑制的緣故。但真正的機制還沒有被解出。 最近以玉米為模式的研究發現，當玉米進行近親繁殖時，負責控制植物生長發育的TCP轉錄因子（Teosinte branched1/cycloidea/proliferating cell factor transcription factors）的結合位址會發生過度甲基化的現象。這些TCP結合位址（牽涉到數千個基因）的過度甲基化，使得它們無法被TCP轉錄因子辨認，造成它們無法被表達出來或是表現量大大降低，於是影響到許許多多牽涉到粒線體、葉綠體與核糖體的基因的表現量都大幅下降，造成子代活力降低，於是我們就說這是「近交衰退」。 這個研究結果解釋了玉米近交衰退的原因，但其他動植物或許也有類似的機制，只是需要我們去發現。 參考文獻： An epigenetic basis of inbreeding depression in maize BY TONGWEN HAN, FANG WANG, QINGXIN SONG, WENXUE YE, TIESHAN LIU, LIMING WANG, Z. JEFFREY CHEN SCIENCE ADVANCES27 AUG 2021 : EABG5442

  甲基化的胞嘧啶。圖片來源： 維基百科 過去的研究已經知道，細胞會利用甲基化把一些基因的表現關掉。甲基化作用的部位在胞嘧啶（cytosine）與組蛋白H3。在細胞分裂時，DNA的複製會讓雙股DNA只剩下一股是甲基化的。雖然這個過程可以「擦掉」一些細胞在成長發育過程中在DNA上留下的不必要的甲基化，但有些部分的DNA的甲基化還是必要的：如細胞中的轉位子（transposon）如果去甲基化了，接著就會因為被活化而開始到處轉位，破壞一些生存所需要的基因。所以，在細胞分裂後，細胞一定要檢查自己的DNA，把一些需要甲基化的序列重新甲基化，否則就會影響到未來的生長發育。 誰負責做這件事呢？最近的研究發現，這個工作在阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）中是由一個稱為 SUVH9 的基因負責的。SUVH9蛋白與小分子RNA（sRNA）結合，然後透過小分子RNA的序列，一一去檢查DNA上面需要被甲基化的部分（主要是轉位子）是否已經甲基化了，接著該位址的組蛋白H3便會進行甲基化，讓這一段DNA回到該有的不活化的狀態。用這樣的機制，植物讓不該被活化的轉位子在細胞分裂後繼續維持不活化的狀態，好讓細胞接下來能正常地生長發育。 參考文獻： Jean-Sébastien Parent, Jonathan Cahn, Rowan P. Herridge, Daniel Grimanelli, Robert A. Martienssen. Small RNAs guide histone methylation in Arabidopsis embryos. Genes & Development, 2021; DOI: 10.1101/gad.343871.120