基因即因(2)

    《基因密码2》可用于高中生物学教学和评价材料的内容如下:

1.动物体内的植物。

      食物中的核酸进入消化系统后一般是被降解消化,无法进入动物体内“兴风作浪”的,但在2012年,南京大学的张辰宇教授发现,食物中的植物小分子RNA(MicroRNA,miRNA)可以进入动物体内,甚至调控动物的基因表达。研究发现,大小为20bp~24bp的外源miRNA可以在胃中的酸性条件下至少存在6小时,这能保证它们在动物胃里不被消化并进入血清和组织。人类、小鼠等哺乳动物体内都发现了植物的miRNA,而这些miRNA主要来自水稻和十字花科植物(萝卜、白菜、油菜等)。

      小鼠实验证明,新鲜稻谷中的miRNA能抑制小鼠肝脏LDLRAP1基因的表达,使血液中低密度脂蛋白(LDL)水平升高,小鼠也因此容易罹患血栓、冠心病等心血管疾病。但并不是所有的植物miRNA 都会影响人体健康,一些植物miRNA对人体有保健作用,比如广泛存在于植物中的一种叫miR159的miRNA可以抑制乳腺癌。

      以植物为食的昆虫也深受miRNA的影响。多数蜜蜂幼虫的食物都是花蜜和花粉,其中的miRNA会抑制幼虫的发育,使这些幼虫发育为没有生育能力的工蜂。而食用不含miRNA蜂王浆的幼虫则能正常发育,成为有生育能力的蜂王。

      同样,以桑叶为食的家蚕,血淋巴和丝腺中也测出了5种来自桑叶的miRNA。虽然目前科学家还未确认桑叶miRNA对家蚕的生理活动起了何种影响,但古人早就发现,家蚕最爱吃桑叶,所以古人喜用桑叶养蚕桑树也因此被广泛种植,不知道这是否也是桑树繁衍后代的一种策略。

2.植物与土壤菌群

      植物不光与动物存在互相作用,与微生物间也同样存在着相互作用。水生蕨类满江红(Azolla filiculoides )与微生物蓝藻(Cyanobacteria)共生,蓝藻具有固氮能力,可以把空气中的氮气转化为含氮化合物供满江红吸收。蓝藻终生都与满江红共生,而且满江红繁殖后代时它也会转移到子代植物上。两者的共生关系已有亿年。

      豆科植物和根瘤菌(Rhizobium)也是这样的共生关系,根瘤菌之于豆科植物的作用恰似肠道菌群对人类的作用。当豆科植物刚开始萌芽的时候,土壤中的根瘤菌就被它们根毛分泌的化学物质吸引过来,侵入根部皮层,刺激皮层细胞分裂形成根瘤。

      微生物不仅有利于植物生长,还有利于酿酒。泸州老窖、茅台、古井贡酒等中国传统名酒,都是以产地命名,原产地才是最适合酿这些酒的地方,如果换了酿酒地点,哪怕配方相同,酿出来的酒也风味大减。

      这些风水宝地酿酒风味独特的秘诀,在于当地独特的“水(水质)、土(土壤)、气(气温)、气(气候)、生(微生物)”。其中微生物的作用至关重要,因为酿酒过程实质上就是微生物的代谢过程。

      酿酒的微生物存在于酒曲、窖泥和酒醅中。酒曲是长有微生物的粮食,其中的微生物包括酵母菌、细菌和曲霉(Aspergillus),用于使酿酒原料发酵。窖泥是酒在进行无氧发酵时用来封闭酒窖、隔绝空气的泥巴,大部分酒厂的窖泥都是多年循环使用的,酿酒业素有“千年老窖万年槽,酒好全凭窖池老”的说法,窖泥中的微生物主要为甲烷菌(methanotropic bacteria)和己酸菌(caproate acid bacteria ),能产生丁酸、己酸、己酸乙酯等化学物质,为酒添加独特风味。

3.表观遗传的概念

      表观遗传学这个概念由英国的康拉德·沃丁顿(Conrad Wadding- ton)于20世纪40年代提出,其中“表观”一词的词根 epi 来自希腊文,意为“在某物之上”。我们可以把其简单理解成对DNA 进行修饰,给同样的DNA 序列穿上不同的“外衣”。

      最常见的表观遗传修饰是DNA甲基化(methylation)和组蛋白乙酰化(acetylation )。甲基化是指染色体中某个基因的DNA上有甲基基团(CH3)结合,从而影响DNA的正常转录和该基因的表达。乙酰化则是指染色体某处的组蛋白有乙酰基团(CH,CO)结合,使DNA与组蛋白的结合松散,这有利于DNA转录,可以促进此处基因的表达。除了甲基化和乙酰化,表观遗传修饰还包括磷酸化(磷酸基团修饰)、泛素化(小分子蛋白修饰)等。

      表观遗传修饰的奇妙之处在于可以让具有同样基因组的细胞呈现出不同的表型。比如人体细胞都是由受精卵分裂而来的,拥有同样的基因组,却分化成了不同形态、功能的细胞,就是因为这些细胞的染色体发生了不同程度的表观遗传修饰。

      喵星人的毛色是研究表观遗传学最好的直观案例,请关注以下两个事实:三花猫为什么99.9%都是母的?克隆的花猫为什么花色不一样?

      猫的颜色是常染色体的白色基因和性染色体的有色基因叠加决定的,其遗传方式遵循“剂量补偿效应”。常染色体的白色基因让所有猫都有白色的底色,而X染色体上的有色基因分黑色和黄色两种。所以,常染色体和性染色体的共同作用产生了各种颜色的猫,比如纯色的黑猫、黄猫、白猫,或者杂色的大橘(黄白)、狸猫(黑白)。然而,只有携带两条X染色体的母猫才可能呈现黑、黄、白三色,所以三花猫一般都是母的。当然,生命科学中唯一不例外的就是例外。对于公猫来说,只有在性染色体为三体(XXY)的情况下才会呈现三色,故三色公猫(严格意义上讲,这属于性别异常)特别稀少。

      每个母猫的皮肤细胞都有两条X染色体,这两条X染色体不会共同起作用。在胚胎发育的早期,皮肤细胞中会有一条X染色体随机失活,如果是携带黑黄两色X染色体的母猫,可能一部分细胞是带有黄色基因的X染色体失活,那这个位置的皮毛就呈黑色;而一部分细胞中带有黑色基因的X染色体失活,这个位置的皮毛就呈黄色。这种X染色体失活是终生保持不变的,即使后来细胞继续分裂也不会改变颜色,所以猫的花色终生不变。

4.是公是母还能变?

      高等物种的性别多是由性染色体差异所决定。比如全部哺乳动物、大部分爬行类、两栖类以及雌难异株植物的性染色体都是XY型,体细胞含XX两个相同性染色体的为雌性,含两个不同性染色体XY的为雄性。而鸟类、鳞翅目昆虫、某些两栖类及爬行类动物的性染色体为ZW型,具有ZZ型性染色体的个体为雄性,具有ZW异型性染色体的个体为雌性。

      除了性染色体类型,染色体的倍数也会决定性别,蜜蜂、蚂蚁等膜翅目昆虫就是如此:单倍体蜜蜂为雄蜂,二倍体蜜蜂为雌蜂,雌蜂又根据营养状况发育成可育的蜂王或者不育的工蜂。很多植物虽有雌雄之分,但并没有性染色体,只由少数基因或染色体区域来决定性别,例如猕猴桃。

      至于某些低等生物,其性别决定简直不要太随意,比如一种雌雄同体的涡虫(Pseudobiceros hancockanus ),两只涡虫交配时用生殖器互相“击剑”,谁先击中对方就作为雄性释放精子,被击中的则会受精怀孕。还有一种叫后螠(Bonelliaviridis)的海洋蠕虫,在海水中游动的幼体是中性,如果幼体落在海底,就会发育成体长10厘米的雌性个体,并伸出长达1米的吻部;如果幼体落在这些雌性个体的吻部,则会进入雌性个体的子宫,发育成体长3毫米的雄性,负责产生精子。

      虽然脊椎动物被称为高等动物,性别也多由性染色体决定,但一些脊椎动物的性别界限并不明确,甚至可以根据外界环境进行性别转换。

      决定绿海龟性别的更多是外界环境,而非自身染色体。当外界温度高于32℃时,绿海龟蛋里孵出的幼龟全是雌性,而当温度低于 27℃时,孵出的幼龟全是雄性。当温度介于这两者之间,比如29.5℃时,孵化出来的幼龟恰好雌雄各占一半。受精卵在不同的温度,性别相关基因的表达不同,决定了幼龟的性别。

      部分鱼类甚至在成年后才开始“变性”。黄鳝出生时多为雌性,产卵一次后便会变为雄性,并终生保持雄性状态。红鲷鱼以一雄多雌的方式群居,如果唯一的雄鱼死亡或者失踪,几天后其中一条雌鱼便会变成雄性,代替它为鱼群繁衍后代。这也是性别相关基因在不同条件下的表达不同所致。

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