我曾一直以为“植物学”研究,会经历一番“原本山川,极命草木”的求学历程——直到我成为一名植物学专业直博生,真正走进这个学科之后。在六年半的实验室生涯中,我所能接触到的植物几乎只有一种,它就是拟南芥。
拟南芥,学名Arabidopsis thaliana,本是一种毫不起眼的十字花科植物。想象一下,把油菜花缩小到比荠菜还稍小些,然后把花也变成白色——你得到的大概就是拟南芥了。
拟南芥原产欧洲、中亚、西南亚至北非一带,但鲜少被关注。1577年,德国医生约翰内斯·塔尔第一次描述了这种植物,将这种在德国哈茨山上发现的小草命名为Pilosella siliquosa。两个拉丁文单词分别是“多毛”和“果荚”的意思,准确地描述了拟南芥的两个特征——叶面上密布的三叉刚毛,以及包裹着种子的长长角果。
1753年,林奈将拟南芥命名为Arabis thaliana,将其归于南芥属,而种加词自然是为了纪念第一次描述这种植物的塔尔。1842年,德国植物学家古斯塔夫·海因霍尔德将拟南芥从南芥属中分出,在南芥属的属名后加上了“-opsis”后缀,新建了拟南芥属,拟南芥归于属中——终于,它的学名,变成了我们现在熟悉的样子。
现在筛选突变体,早已不用像布劳恩时代那样四处搜寻——虽然生物的天然突变时有发生,但是靠天吃饭的确效率太低了。现在的实验室会用各种方法对拟南芥进行诱变,从物理的(紫外线、电离辐射等)、化学的(甲基磺酸乙酯诱变等)到生物的(T-DNA插入等)一应俱全——毕竟突变体是现代生物学研究的基础,只有破坏掉一个基因,我们才能发现它到底在哪个过程中起作用。
科学家们可不傻,拟南芥看似普通,但作为一种实验室植物,拟南芥其实有着一些其他植物无法比拟的特质。繁殖周期短,种子多是拟南芥的核心优势。从种子萌发到收获下一代的种子,实验室条件下只需要两个月到两个半月时间。遗传学研究中需要大量运用杂交技术,每次实验都需要经历植物的一整个繁殖周期,周期短,无疑将大大提高实验的效率,而后代数量多,对于统计分析也有天然的优势。
拟南芥的五条染色体。图片:The Arabidopsis Genome Initiative. (2000) Nature 408:796–815
1935年,一篇苏联文献提到了拟南芥,探讨它作为植物中的果蝇的可能性,65年后,它作为模式生物中的“后起之秀”,和果蝇在同一年内完成了测序。这一可能要归功于它精炼的基因组:拟南芥的基因组由5对染色体组成,总大小只有1.35亿碱基对(135MB);作为对比,人类有23对染色体,32亿碱基对(3.2GB),是拟南芥的23.7倍。
现在,只要接入拟南芥信息网站TAIR(网址是健忘症友好的 arabidopsis.org),你就可以方便地获取拟南芥的各种有用信息:完整的基因碱基序列,27655个已知编码蛋白质基因的序列以及它们在基因组上的具体位置,实验室最常用的两个生态型——Col-0与Ler之间的单核苷酸多态性差别,以及实验中需要用到的一切公开信息。
研究植物体内复杂运作着的生物学机制,如同进入一片无边无际的黑森林探险:我们什么都看不见,只能勇敢地走进去,摸到一棵树,下一棵树,再下一棵树,然后努力试图寻找树与树之间的关系,勾画出一版版并不精确的路线图。就像小白鼠实验的结论可以外推到人类身上一样,在拟南芥中找到的基因,有很大的可能性也存在于玉米、水稻、小麦以及其它经济作物中。
了解了拟南芥内部的运作方式,也就了解了各种与我们生活息息相关的作物。
作为“新时代”最重要的模式植物,我们在拟南芥世界里迈出的一小步,都相当于在植物界里迈出的一大步。通过拟南芥,我们知道了植物如何分化出花器官,花粉如何萌发,花粉管如何生长,卵细胞如何受精,知道了植物如何感知光照,如何维持每年的节律,在适当的季节萌发、在适当的时机开花结果,也知道了植物如何利用植物激素传导信息,如何感知干旱、水淹、高温、严寒,以及如何调动体内的相应机制以应对这些环境胁迫……