如果你經常逛農貿市場，那么你會發現很多玉米是彩色的，這些玉米不僅外觀好看，營養方面也比普通玉米更勝一籌。在感嘆大自然的神奇又或是育種技術強大的同時，大家是否知道絢麗的彩色玉米與一項諾貝爾獎有著緊密聯系？
各種各樣的彩色玉米
1983年的諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了一位叫芭芭拉?麥克林托克（Barbara McClintock）的女科學家，以表彰她在發現“跳躍基因”（現在叫轉座子）現象上所做出的杰出貢獻。麥克林托克是歷史上第一位獨立獲得諾貝爾生理學或醫學獎的女科學家，也被尊稱為“玉米夫人”，她發現的轉座子，顛覆了我們對于基因的傳統認知，極大地促進了生物和醫學領域的發展。轉座子的發現與DNA雙螺旋結構的發現一并被公認為20世紀遺傳學史上兩項最重要的發現。
諾貝爾獎獲得者芭芭拉?麥克林托克女士
早期教育和研究
1902年，麥克林托克出生在美國康涅狄格州的哈特福德，父親是一名醫生，母親則來自波士頓中上層家庭，是個詩人，也是個畫家，家庭中的文化氛圍為麥克林托克的成長打下了良好基礎。兄弟姐妹四人中麥克林托克總是喜歡獨自一人，經常在一個空房間里讀書數小時，且成年后的她也總是習慣獨處，安靜的性格，似乎冥冥中指引著她走向科學研究的道路。她對遺傳學的熱愛始于1921年，當時她在康奈爾大學攻讀遺傳學，由植物育種家和遺傳學家哈奇森（C.B. Hutchison）指導。當時的哈奇森對麥克林托克印象深刻，就邀請她參加了研究生遺傳學計劃，在1923年，麥克林托克獲得了學士學位，又在1925年獲得了碩士學位，在1927年獲得了博士學位。在當時，這對于一名24歲的女性來說是相當了不起的。
在康奈爾大學獲得博士學位后，麥克林托克留校任教，并在植物育種系組建了一個植物育種和細胞學小組，從事玉米染色體的研究。在這段時間里，麥克林托克開發了染色技術，可以幫助可視化玉米染色體，這些技術對于她發現基因“跳躍”事件大有裨益。到1929年，她已經充分完善了這些技術，可以對玉米的10條染色體進行區分，使遺傳數據與染色體行為聯系起來。1941年6月，麥克林托克進入美國紐約的冷泉港實驗室任職，繼續從事她所熱愛的玉米遺傳研究，就是在這里，正式開始了偉大的“跳躍基因”發現之旅。
玉米基因“跳躍”的發現
從1932年開始，麥克林托克就在印度彩色玉米中觀察到了玉米籽粒與葉片的色斑無法穩定遺傳的現象，而且色斑的大小和出現的時間也是各有不同。為了找到這個問題的答案，麥克林托克培育出帶有某條特定染色體的玉米植物，該染色體的存在會導致隱性棕色表型（bz基因），而該玉米原本具有的染色體編碼白色顯性表型（無色，C基因）。根據正常的遺傳理論，后代應該顯示出全白色的籽粒，但是部分籽粒顯現出了白色帶棕色斑點的性狀。
帶斑點的玉米籽粒
麥克林托克將意外的變化歸因于染色體斷裂，使染色體丟失一個基因，她稱這種現象為解離，發生在她稱為Ds的染色體基因座上，此外，她認為這種斷裂是由于“跳躍”活化劑（Ac）引起的，Ac促使Ds“跳躍”，Ds的移動可能導致被插入基因C產生突變而不能正常行使功能，則隱性基因得到優勢，將顯示為棕色，而Ac控制Ds從突變的C基因處“跳走”又可以恢復C基因的功能，顯示白色，所以，玉米籽粒白色背景上棕色斑點的數量取決于籽粒發育期間基因“跳躍”的時間。
麥克林托克的Ds-Ac“跳躍”調控理論
獲獎的曲折歷史
1951年，麥克林托克在冷泉港研討會上介紹了她的基因“跳躍”理論，她認為遺傳物質結構和順序不是靜態的，而是經過重新排列的，并且在發育過程中可能會發生變化。會議的聽眾認為她的研究結果晦澀難懂。麥克林托克的研究與當時的遺傳現象理論不符，因為遺傳物質在20世紀60年代之前被認為是靜態實體。所以，麥克林托克的實驗結果一直未受到重視，但是她始終堅持著自己的理論。
就這樣，漫長的30年過去了，鮮有人知道她在冷泉港的實驗室里每天都背負著什么樣的心情。但是，隨著其他科學家在細菌和真菌以及高等動植物中相繼發現了類似于基因“跳躍”的現象，被雪藏的麥克林托克的“基因跳躍”理論才開始得到科學界的認可與重視，世人無不驚嘆于她行走在科研前端的思想和堅定不移的信念。終于，在1983年，瑞典皇家科學院諾貝爾獎學金評定委員會把該年度的諾貝爾生理學或醫學獎授予這位已經81歲的堅韌的科學家，讓她在有生之年看到了科學界對她成果的最高認可。9年后，也就是1992年9月2日，麥克林托克在冷泉港去世，終年90歲。
麥克林托克的成果證明了DNA遠比科學家最初想象的要復雜，顛覆了人們對遺傳物質的認知。現在我們知道可移動的轉座子序列約占玉米基因組的85％，占我們人類基因組的65％以上，轉座子在發育中的精子和卵細胞中繞基因組跳躍，對進化十分重要。但是，他們的“跳躍”也可能引起新的突變，目前生物體約10%的突變是由轉座子插入其他基因所引起，可能會導致諸如血友病和癌癥等疾病的發生，而目前關于轉座子運動是何時何地在發育中的生殖細胞中發生的知之甚少。除了與疾病相關，轉座子還可以被用來構建突變體庫，比如彩色玉米的培育和不同形狀番茄的培育等，具有極其廣闊的研究前景。
麥克林托克把一生都奉獻給了她所熱愛的科學事業，她是偉大的，也是孤獨的，但是，科學正是在這種大膽的猜想與求證中一步步走向未來。
出品：科普中國
作者：徐樂天（湖北大學生命科學學院副教授）
監制：中國農學會 光明網科普事業部
來源： 光明網
