杜鵑花(學(xué)名:Rhododendron simsii Planch.):又名映山紅、山石榴,為常綠或平常綠灌木。相傳,古有杜鵑鳥,日夜哀鳴而咯血,染紅遍山的花朵,因而得名。杜鵑花一般春季開花,每簇花2-6朵,花冠漏斗形,有紅、淡紅、杏紅、雪青、白色等,花色繁茂艷麗。生于海拔500-1200(-2500)米的山地疏灌叢或松林下,為中國(guó)中南及西南典型的酸性土指示植物。
由于產(chǎn)量不高,無(wú)法帶來(lái)理想的經(jīng)濟(jì)收益,很多野生資源漸漸被遺忘、埋沒甚至鏟除。陳瑞陽(yáng)曾在資料中得知,海南某地有野生稻,尋去后只看到一片樓房。
上世紀(jì)六七十年代,美籍華人徐道覺根據(jù)對(duì)自己從世界各地收集回的各種哺乳動(dòng)物組織樣本和淋巴細(xì)胞進(jìn)行染色體分析的結(jié)果,主編了《哺乳動(dòng)物染色體圖譜》,1967年出版了第一卷,1977年出版第十卷,歷經(jīng)10年。
動(dòng)物染色體圖譜問世后的第二年,中國(guó)也走到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。“那時(shí)候大家都很興奮,想做一些工作。”年逾不惑的陳瑞陽(yáng)決定從事基礎(chǔ)性研究,憑著自創(chuàng)的獨(dú)特操作方法,他開始四處采集各種植物,進(jìn)行染色體研究。
30年后,由南開大學(xué)陳瑞陽(yáng)教授編著、在研究領(lǐng)域內(nèi)填補(bǔ)了國(guó)際空白的《中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)植物基因組染色體圖譜》問世了。這是世界上第一部植物基因組染色體圖譜。
陳瑞陽(yáng)說(shuō),中國(guó)是世界上栽培作物最早和最大的起源地,至今在全國(guó)各地還生長(zhǎng)著很多珍貴的栽培作物野生祖先及其近緣植物,如野生大豆、野生稻、野生茶和各種野生果樹等,“英國(guó)皇家植物園里的杜鵑,都是來(lái)自中國(guó)。”
它叫“基因組染色體圖譜”
最近,學(xué)校里認(rèn)識(shí)的人見到陳瑞陽(yáng),都會(huì)向他提起此書,不過(guò)表達(dá)不一。其實(shí),有兩個(gè)說(shuō)法是陳瑞陽(yáng)不太贊同的。
他數(shù)次強(qiáng)調(diào),這是“基因組染色體圖譜”,和基因圖譜不同。時(shí)下熱門的“基因圖譜”是指通過(guò)測(cè)序得到的DNA上各堿基排列的次序,最終得到的是一部寫滿四種堿基(A、T、C、G)的“基因詞典”。在這本詞典里,我們可以查到,何種基因控制生物的何種性狀(比如肥胖)。“基因組染色體圖譜”則是通過(guò)處理分裂中期的細(xì)胞,并用相機(jī)拍攝得到的染色體形象。
在基因測(cè)序大行其道的今天,幾乎所有的實(shí)驗(yàn)、所有的文章都以掛上“基因”“序列”之類的名號(hào)為榮。但是,我們不應(yīng)該遺忘曾經(jīng)為遺傳學(xué)作出貢獻(xiàn)的染色體。作為攜帶千萬(wàn)遺傳物質(zhì)的載體,染色體的結(jié)構(gòu)和功能的研究一直是生命科學(xué)中的重要基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。染色體的數(shù)目和形態(tài)結(jié)構(gòu)具有種的特異性,是遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、分類學(xué)的重要基礎(chǔ)。
雖然“基因圖譜”和“基因組染色體圖譜”有著共同的目的——了解編碼生命遺傳的信息,但如果將前者比作城市中每個(gè)院落的詳細(xì)信息,后者則更像一座城市的地形圖,另外,陳瑞陽(yáng)也不同意“基因組染色體圖譜繪制成功”的說(shuō)法。
“是相機(jī)拍攝,并非繪制。”過(guò)去,大多使用相機(jī)通過(guò)顯微鏡的目鏡為染色體拍攝寫真,將膠片沖洗放大成照片后,再將照片上每條染色體分別剪下,配對(duì)排列,粘貼成一張“排排坐”的照片。
《圖譜》共5冊(cè),包括中國(guó)果樹及其野生近緣植物、中國(guó)農(nóng)作物及其野生近緣植物、中國(guó)園林花卉植物、中國(guó)竹類、中國(guó)藥用植物的染色體圖譜,為栽培植物的雜交育種和起源進(jìn)化提供了基礎(chǔ)資料——其中,第五冊(cè)采用了數(shù)碼拍攝技術(shù)。
從2007年開始,陳瑞陽(yáng)開始將顯微鏡與數(shù)碼相機(jī)相連,染色的圖像可以實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上,通過(guò)圖像處理軟件可以得到更為清晰詳盡的染色體照片。
為什么面世更晚的是植物圖譜
其實(shí),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有比“手工繪制”更精巧也更困難的手工技術(shù):對(duì)植物細(xì)胞壁的解離。從某種程度上說(shuō),這是項(xiàng)手藝活,需要能工巧匠。
和動(dòng)物細(xì)胞相比,植物細(xì)胞要多一項(xiàng)構(gòu)造:最外層的細(xì)胞壁。在制作染色體材料的過(guò)程中,比較理想的狀況是得到單個(gè)分散的細(xì)胞,這樣才能看清每個(gè)細(xì)胞中染色體的集體全貌。但是,由于不同細(xì)胞的細(xì)胞壁相互連接,在制作染色體時(shí),植物細(xì)胞很容易混做一團(tuán)。因此,要得到好的染色體照片,必須先將細(xì)胞從細(xì)胞壁中釋放出來(lái),前提是先將細(xì)胞壁解離。
其實(shí),要解離細(xì)胞壁,原理也簡(jiǎn)單,使用纖維素酶或果膠酶溶解。只是,這看似簡(jiǎn)單的原理,執(zhí)行起來(lái)著實(shí)不易。如果酶過(guò)少或者解離時(shí)間過(guò)短,則不能有效分散細(xì)胞;反之,細(xì)胞壁分解過(guò)度可能導(dǎo)致染色體游離到顯微鏡視野之外,而無(wú)法找到合適的觀察對(duì)象。再者,處理的時(shí)間,壓片時(shí)的輕重都會(huì)影響最終的結(jié)果——因此,除扎實(shí)的生物學(xué)理論外,對(duì)研究人員的要求又多添一項(xiàng):手藝精湛。
野生物種在消失
不過(guò),造成植物染色體圖譜遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于動(dòng)物的原因不止這些。
若沿著時(shí)間鏈?zhǔn)崂?,首先難在跋涉尋找。
上世紀(jì)80年代初,陳瑞陽(yáng)去了中緬邊境的原始森林采集野生茶,為了考察野生與栽培茶的染色體,判斷兩者有無(wú)親緣關(guān)系,帶路的是原本素不相識(shí)的云南植物所及農(nóng)業(yè)大學(xué)的老師。另一次,是去云南省的一處邊遠(yuǎn)山區(qū),為了尋找柑橘的祖先或野生近緣種紅河大翼橙,從昆明出發(fā),開車一周才到達(dá)目的地。陳瑞陽(yáng)說(shuō),在圖冊(cè)的末尾感謝了109位個(gè)人及50家機(jī)構(gòu),但也只是不完全統(tǒng)計(jì)。“比如去海南島采集野生稻,由當(dāng)?shù)厝藥ьI(lǐng),走了一天的路,我卻連人家的名字都忘記了。”
比起跋涉的勞頓,更令人沮喪的是物種的消失。
陳瑞陽(yáng)不無(wú)苦澀地講了一則笑話:一對(duì)美國(guó)夫婦來(lái)中國(guó)采集野生大豆,四處尋覓未果,坐在公園休息,丈夫一回頭,身后就是一株野生大豆。由于產(chǎn)量不高,無(wú)法帶來(lái)理想的經(jīng)濟(jì)收益,很多野生資源漸漸被遺忘、埋沒甚至鏟除。陳瑞陽(yáng)曾在資料中得知,海南某地有野生稻,尋去后只看到一片樓房。
再次是取材。因?yàn)橐吹饺旧w,必須采集活的處于分裂活躍期的植物材料(通常是萌動(dòng)的根尖和芽)。但是,并不能確定采集的樣本是否正處于分裂期,“植物也可能在睡覺呢”。事實(shí)上,植物細(xì)胞大多數(shù)時(shí)間都在“睡覺”,但不是完全休息——處在分裂間期的它們,忙于完成DNA和蛋白質(zhì)的復(fù)制??墒牵苡^察到成形染色體分裂期的,因物種而異,只占4% ~10%。以蠶豆19.5小時(shí)的周期為例,分裂期只有2小時(shí),其余17個(gè)半小時(shí),無(wú)法觀察到成形的染色體。
圖譜第四冊(cè)的主角是竹子。前兩次,陳瑞陽(yáng)的學(xué)生去了江西等省份,都沒有成功,第三次,他親自去了廣東,總算取到了合適的材料。
另外,植物的基因組中染色體數(shù)目較多。有些低等植物如蕨類,一個(gè)基因組中染色體的數(shù)目甚至高達(dá)幾百條。龐大的數(shù)量,也增加了染色體圖譜工作的難度。
基礎(chǔ)性學(xué)科需要更多投入
中國(guó)科學(xué)院植物研究所院士洪德元介紹說(shuō),我國(guó)目前有植物5萬(wàn)多種,而擁有染色體信息記錄的,還不足20%—— 即使是這一小部分,也只是分散在各類文獻(xiàn)當(dāng)中。
“目前,國(guó)內(nèi)過(guò)多注重創(chuàng)新或與生產(chǎn)相結(jié)合,對(duì)于原創(chuàng)性、基礎(chǔ)性的學(xué)科研究反而普遍不太重視。染色體圖譜的技術(shù)雖然古老,但我們需要有人完成這樣系統(tǒng)性的工作。”
洪德元和陳瑞陽(yáng)都表達(dá)了相近的觀點(diǎn):基礎(chǔ)性學(xué)科研究申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)困難,而且不易取得突破性的發(fā)現(xiàn),日久天長(zhǎng)待在實(shí)驗(yàn)室中,從事資料收集積累的工作,愿意為此投入的年輕人并不多。
但陳瑞陽(yáng)還是很慶幸,眼下自己實(shí)驗(yàn)室里,還有不少踏實(shí)的年輕人。“關(guān)于物種的起源進(jìn)化,可以從不同層面去考察,我們的著手點(diǎn)是染色體。很多植物間的親緣關(guān)系從染色體都能看出來(lái)。”
洪德元認(rèn)為,圖譜的問世,對(duì)分子生物學(xué)等學(xué)科的研究,以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都有重大的參考價(jià)值。
眼下,匯總?cè)旧w圖譜的工作雖然暫時(shí)告一段落,但陳瑞陽(yáng)構(gòu)想的工作遠(yuǎn)未結(jié)束。除了近5年來(lái)一直從事的改良作物的研究,他很希望能聯(lián)合計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究人員,總結(jié)出規(guī)律,為這些染色體圖譜建立數(shù)學(xué)模型。“我現(xiàn)在就是年紀(jì)大了,如果是年輕的時(shí)候,我很希望努力申請(qǐng)建立染色體數(shù)據(jù)庫(kù)。”但這可能有點(diǎn)難。
上世紀(jì)六七十年代,美籍華人徐道覺根據(jù)對(duì)自己從世界各地收集回的各種哺乳動(dòng)物組織樣本和淋巴細(xì)胞進(jìn)行染色體分析的結(jié)果,主編了《哺乳動(dòng)物染色體圖譜》,1967年出版了第一卷,1977年出版第十卷,歷經(jīng)10年。
動(dòng)物染色體圖譜問世后的第二年,中國(guó)也走到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。“那時(shí)候大家都很興奮,想做一些工作。”年逾不惑的陳瑞陽(yáng)決定從事基礎(chǔ)性研究,憑著自創(chuàng)的獨(dú)特操作方法,他開始四處采集各種植物,進(jìn)行染色體研究。
30年后,由南開大學(xué)陳瑞陽(yáng)教授編著、在研究領(lǐng)域內(nèi)填補(bǔ)了國(guó)際空白的《中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)植物基因組染色體圖譜》問世了。這是世界上第一部植物基因組染色體圖譜。
陳瑞陽(yáng)說(shuō),中國(guó)是世界上栽培作物最早和最大的起源地,至今在全國(guó)各地還生長(zhǎng)著很多珍貴的栽培作物野生祖先及其近緣植物,如野生大豆、野生稻、野生茶和各種野生果樹等,“英國(guó)皇家植物園里的杜鵑,都是來(lái)自中國(guó)。”
它叫“基因組染色體圖譜”
最近,學(xué)校里認(rèn)識(shí)的人見到陳瑞陽(yáng),都會(huì)向他提起此書,不過(guò)表達(dá)不一。其實(shí),有兩個(gè)說(shuō)法是陳瑞陽(yáng)不太贊同的。
他數(shù)次強(qiáng)調(diào),這是“基因組染色體圖譜”,和基因圖譜不同。時(shí)下熱門的“基因圖譜”是指通過(guò)測(cè)序得到的DNA上各堿基排列的次序,最終得到的是一部寫滿四種堿基(A、T、C、G)的“基因詞典”。在這本詞典里,我們可以查到,何種基因控制生物的何種性狀(比如肥胖)。“基因組染色體圖譜”則是通過(guò)處理分裂中期的細(xì)胞,并用相機(jī)拍攝得到的染色體形象。
在基因測(cè)序大行其道的今天,幾乎所有的實(shí)驗(yàn)、所有的文章都以掛上“基因”“序列”之類的名號(hào)為榮。但是,我們不應(yīng)該遺忘曾經(jīng)為遺傳學(xué)作出貢獻(xiàn)的染色體。作為攜帶千萬(wàn)遺傳物質(zhì)的載體,染色體的結(jié)構(gòu)和功能的研究一直是生命科學(xué)中的重要基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。染色體的數(shù)目和形態(tài)結(jié)構(gòu)具有種的特異性,是遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、分類學(xué)的重要基礎(chǔ)。
雖然“基因圖譜”和“基因組染色體圖譜”有著共同的目的——了解編碼生命遺傳的信息,但如果將前者比作城市中每個(gè)院落的詳細(xì)信息,后者則更像一座城市的地形圖,另外,陳瑞陽(yáng)也不同意“基因組染色體圖譜繪制成功”的說(shuō)法。
“是相機(jī)拍攝,并非繪制。”過(guò)去,大多使用相機(jī)通過(guò)顯微鏡的目鏡為染色體拍攝寫真,將膠片沖洗放大成照片后,再將照片上每條染色體分別剪下,配對(duì)排列,粘貼成一張“排排坐”的照片。
《圖譜》共5冊(cè),包括中國(guó)果樹及其野生近緣植物、中國(guó)農(nóng)作物及其野生近緣植物、中國(guó)園林花卉植物、中國(guó)竹類、中國(guó)藥用植物的染色體圖譜,為栽培植物的雜交育種和起源進(jìn)化提供了基礎(chǔ)資料——其中,第五冊(cè)采用了數(shù)碼拍攝技術(shù)。
從2007年開始,陳瑞陽(yáng)開始將顯微鏡與數(shù)碼相機(jī)相連,染色的圖像可以實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上,通過(guò)圖像處理軟件可以得到更為清晰詳盡的染色體照片。
為什么面世更晚的是植物圖譜
其實(shí),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有比“手工繪制”更精巧也更困難的手工技術(shù):對(duì)植物細(xì)胞壁的解離。從某種程度上說(shuō),這是項(xiàng)手藝活,需要能工巧匠。
和動(dòng)物細(xì)胞相比,植物細(xì)胞要多一項(xiàng)構(gòu)造:最外層的細(xì)胞壁。在制作染色體材料的過(guò)程中,比較理想的狀況是得到單個(gè)分散的細(xì)胞,這樣才能看清每個(gè)細(xì)胞中染色體的集體全貌。但是,由于不同細(xì)胞的細(xì)胞壁相互連接,在制作染色體時(shí),植物細(xì)胞很容易混做一團(tuán)。因此,要得到好的染色體照片,必須先將細(xì)胞從細(xì)胞壁中釋放出來(lái),前提是先將細(xì)胞壁解離。
其實(shí),要解離細(xì)胞壁,原理也簡(jiǎn)單,使用纖維素酶或果膠酶溶解。只是,這看似簡(jiǎn)單的原理,執(zhí)行起來(lái)著實(shí)不易。如果酶過(guò)少或者解離時(shí)間過(guò)短,則不能有效分散細(xì)胞;反之,細(xì)胞壁分解過(guò)度可能導(dǎo)致染色體游離到顯微鏡視野之外,而無(wú)法找到合適的觀察對(duì)象。再者,處理的時(shí)間,壓片時(shí)的輕重都會(huì)影響最終的結(jié)果——因此,除扎實(shí)的生物學(xué)理論外,對(duì)研究人員的要求又多添一項(xiàng):手藝精湛。
野生物種在消失
不過(guò),造成植物染色體圖譜遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于動(dòng)物的原因不止這些。
若沿著時(shí)間鏈?zhǔn)崂?,首先難在跋涉尋找。
上世紀(jì)80年代初,陳瑞陽(yáng)去了中緬邊境的原始森林采集野生茶,為了考察野生與栽培茶的染色體,判斷兩者有無(wú)親緣關(guān)系,帶路的是原本素不相識(shí)的云南植物所及農(nóng)業(yè)大學(xué)的老師。另一次,是去云南省的一處邊遠(yuǎn)山區(qū),為了尋找柑橘的祖先或野生近緣種紅河大翼橙,從昆明出發(fā),開車一周才到達(dá)目的地。陳瑞陽(yáng)說(shuō),在圖冊(cè)的末尾感謝了109位個(gè)人及50家機(jī)構(gòu),但也只是不完全統(tǒng)計(jì)。“比如去海南島采集野生稻,由當(dāng)?shù)厝藥ьI(lǐng),走了一天的路,我卻連人家的名字都忘記了。”
比起跋涉的勞頓,更令人沮喪的是物種的消失。
陳瑞陽(yáng)不無(wú)苦澀地講了一則笑話:一對(duì)美國(guó)夫婦來(lái)中國(guó)采集野生大豆,四處尋覓未果,坐在公園休息,丈夫一回頭,身后就是一株野生大豆。由于產(chǎn)量不高,無(wú)法帶來(lái)理想的經(jīng)濟(jì)收益,很多野生資源漸漸被遺忘、埋沒甚至鏟除。陳瑞陽(yáng)曾在資料中得知,海南某地有野生稻,尋去后只看到一片樓房。
再次是取材。因?yàn)橐吹饺旧w,必須采集活的處于分裂活躍期的植物材料(通常是萌動(dòng)的根尖和芽)。但是,并不能確定采集的樣本是否正處于分裂期,“植物也可能在睡覺呢”。事實(shí)上,植物細(xì)胞大多數(shù)時(shí)間都在“睡覺”,但不是完全休息——處在分裂間期的它們,忙于完成DNA和蛋白質(zhì)的復(fù)制??墒牵苡^察到成形染色體分裂期的,因物種而異,只占4% ~10%。以蠶豆19.5小時(shí)的周期為例,分裂期只有2小時(shí),其余17個(gè)半小時(shí),無(wú)法觀察到成形的染色體。
圖譜第四冊(cè)的主角是竹子。前兩次,陳瑞陽(yáng)的學(xué)生去了江西等省份,都沒有成功,第三次,他親自去了廣東,總算取到了合適的材料。
另外,植物的基因組中染色體數(shù)目較多。有些低等植物如蕨類,一個(gè)基因組中染色體的數(shù)目甚至高達(dá)幾百條。龐大的數(shù)量,也增加了染色體圖譜工作的難度。
基礎(chǔ)性學(xué)科需要更多投入
中國(guó)科學(xué)院植物研究所院士洪德元介紹說(shuō),我國(guó)目前有植物5萬(wàn)多種,而擁有染色體信息記錄的,還不足20%—— 即使是這一小部分,也只是分散在各類文獻(xiàn)當(dāng)中。
“目前,國(guó)內(nèi)過(guò)多注重創(chuàng)新或與生產(chǎn)相結(jié)合,對(duì)于原創(chuàng)性、基礎(chǔ)性的學(xué)科研究反而普遍不太重視。染色體圖譜的技術(shù)雖然古老,但我們需要有人完成這樣系統(tǒng)性的工作。”
洪德元和陳瑞陽(yáng)都表達(dá)了相近的觀點(diǎn):基礎(chǔ)性學(xué)科研究申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)困難,而且不易取得突破性的發(fā)現(xiàn),日久天長(zhǎng)待在實(shí)驗(yàn)室中,從事資料收集積累的工作,愿意為此投入的年輕人并不多。
但陳瑞陽(yáng)還是很慶幸,眼下自己實(shí)驗(yàn)室里,還有不少踏實(shí)的年輕人。“關(guān)于物種的起源進(jìn)化,可以從不同層面去考察,我們的著手點(diǎn)是染色體。很多植物間的親緣關(guān)系從染色體都能看出來(lái)。”
洪德元認(rèn)為,圖譜的問世,對(duì)分子生物學(xué)等學(xué)科的研究,以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都有重大的參考價(jià)值。
眼下,匯總?cè)旧w圖譜的工作雖然暫時(shí)告一段落,但陳瑞陽(yáng)構(gòu)想的工作遠(yuǎn)未結(jié)束。除了近5年來(lái)一直從事的改良作物的研究,他很希望能聯(lián)合計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究人員,總結(jié)出規(guī)律,為這些染色體圖譜建立數(shù)學(xué)模型。“我現(xiàn)在就是年紀(jì)大了,如果是年輕的時(shí)候,我很希望努力申請(qǐng)建立染色體數(shù)據(jù)庫(kù)。”但這可能有點(diǎn)難。
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