Teosinte Pollen Drive (TPD)是玉米- Teosinte杂交种的一个自私遗传系统，它只允许同时携带毒素和解毒剂的花粉存活。这里，我们看到玉米-大刍草杂交的产花粉部分。图片来源:Jon Cahn/Martienssen实验室

　　冷泉港实验室的研究人员将玉米的驯化追溯到9000年前，并强调了玉米与墨西哥大刍草的杂交，以适应寒冷。

　　Rob Martienssen教授发现了一种被称为大鼠草花粉驱动(Teosinte Pollen Drive)的遗传机制这有助于理解玉米在美国的快速适应和分布，从而揭示进化纳米工艺和潜在的农业应用。

　　冷泉港实验室(CSHL)的科学家们已经开始揭开一个形成千年的谜团。我们的故事开始于九千年前。就在那时，玉米第一次在墨西哥低地被驯化。大约5000年后，这种作物与来自墨西哥高地的一种叫做teosinte mexicana的物种杂交。这导致了冷适应性。从这里开始，玉米传遍了整个大陆，产生了现在我们饮食中很大一部分的蔬菜。但它是如何如此迅速地适应的呢?是什么生物机制让这种高原作物的性状得以形成?今天，一个可能的答案出现了。

　　从一个不寻常的杂交基因的见解

　　CSHL教授和HHMI研究员Rob Martienssen一直在研究RNA干扰，小RNA沉默基因的过程，20多年来，威斯康星大学的研究员Jerry Kermicle进行了一个奇怪的观察。他的实验将半不育大刍草杂交品种与传统玉米杂交，结果它们的后代表现得非常不寻常。在正常遗传的情况下，后代最终应该是完全不育或可育的。但无论克米克勒将这些杂交品种与玉米杂交多少次，所有的后代也都是半不育的。发生了什么事?

　　TPD通过用毒素毒害一些生殖细胞，并将解药给予其他生殖细胞，确保某些特征总是遗传下去。左图:只有毒素的半不育玉米。右图:含有毒素和解毒剂的活玉米。来源:Martienssen实验室/冷泉港实验室

　　大刍草花粉源的发现

　　为了弄清楚这个问题，Martienssen和研究生Ben Berube对半不育后代的数百个花粉粒进行了基因组测序。他们发现，每只大刍动物的基因组中都有相同的片段。

　　“有两个基因组片段，一个在第5号染色体上，一个在第6号染色体上，它们总是遗传的。这告诉我们负责的基因一定在这些区域，”Martienssen说。

　　对农业和进化的影响

　　在第5号染色体上，他们发现一种叫做Dicer-like 2的基因会产生一组小rna，这种小rna通常存在于半不育的杂交玉米中，而不是传统的玉米。有了这个发现，Martienssen实验室能够确定他们所谓的大刍草花粉驱动(TPD)。这种“自私”的遗传系统排除了缺乏基因驱动的竞争花粉粒。它导致玉米-大刍草杂交后代将某些性状更多地传给雄性而不是雌性。这一发现可能对农业产生重大影响。但在Martienssen看来，这一发现比其潜在的杂草控制应用更重要。

　　“我对进化方面更感兴趣，这对驯化过程可能意味着什么，以及它如何比我们想象的要快得多，”Martienssen说。

　　有限公司连接玉米的过去和现在

　　如果墨西哥teosinte是“玉米中的尼安德特人”，Martienssen可能在TPD玉米中发现了“缺失的一环”。这一突破可以解释玉米是如何在美国各地茁壮成长的，但也可以解释为什么某些小rna在植物和动物精子细胞中如此普遍，包括我们自己。

　　参考文献:《自然》杂志2024年8月7日。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07787 - 1

　　资助:美国国立卫生研究院，美国国家科学基金会植物基因组研究计划，霍华德休斯医学研究所，美国国家科学基金会