中国山东的野生大豆

30年“马拉松”

中国在植物染色体研究方面起步较晚,上世纪80年代以前几乎是空白,与国外先进国家相比落后了近百年。1978年改革开放以后,在南开大学和北京大学等校生物系、中国科学院植物研究所和中国农业科学院等单位的参与和组织下,相关项目相继起跑。如今,无论在研究范围和深度上,还是在研究技术水平上,中国都已接近或达到世界先进水平。

上世纪60、70年代,美籍华人徐道觉根据对自己从世界各地收集回的各种哺乳动物组织样本和淋巴细胞进行染色体分析的结果,主编了世界上第一部《哺乳动物染色体图谱》,1967年出版第1卷,10年的1977年出版到第10卷。受此鼓舞与激励,在其第2年,当时40多岁的陈瑞阳开始四处采集各种植物,进行染色体研究,一直干到变成现在的七旬老人(整整30年)。

染色体是化学物质DNA(脱氧核糖核酸)组成的呈螺旋状的两条长链。植物基因组由重复序列和低(单)拷贝的DNA组成。DNA分子具有复制自己本身的能力。在复制时,两条链子分开,每条根据它所载的碱基形成另一条新链子,组成一条新的DNA。每种生物DNA上的碱基数量和排列是不同的,使生物表现出不同的性状。基因有4种碱基--A,T,G,C。其中A与T配对,G与C配对,它们组成碱基对,这样可以保持生物性状的特异性和连续性。而时下热门的“基因图谱”大都是通过测序得到的DNA上各碱基排列的次序,最终“编”成一部写满“A、T、C、G”的“基因词典”,可以查到何种基因控制生物的何种性状(如高矮胖瘦等)。尽管《基因组染色体图谱》与这些图谱词典有着共同的目的--了解编码生命遗传的信息,但正如新华社所评论的那样:倘若将后者比作城市中每个院落的详细信息,前者则更像一座城市的地形图,它们是指通过处理分裂中期的细胞,并用照相机拍摄得到的染色体形象。

曾经,陈教授和同事们大多使用照相机通过显微镜的目镜为染色体拍摄写真,将胶片冲洗放大成照片后,再将照片上每条染色体分别剪下,配对排列,粘贴成一张“排排坐”的照片。从2007年起,他们开始把显微镜与数码相机相连,图像可以实时显示在电脑屏幕上,通过图像处理软件可以得到更为清晰详尽的染色体照片。

在运用数码技术之外,陈教授他们更使植物型分析标准化,并独创了植物染色体标本制备的一系列办法。其中很多还属于精巧而不好掌握的“手艺活”。对植物细胞壁的解离便是一例。

染色体存在于细胞核内。与动物细胞相比,植物细胞要多一项构造--最外层的细胞壁。在制作染色体材料的过程中,比较理想的状况是得到单个分散的细胞,这样才能看清每个细胞中染色体的集体全貌。可是,由于植物不同细胞的细胞壁相互连接,在制作染色体时,细胞很容易混作一团。因此,要想拍到令人满意的染色体照片,就必须先将细胞从细胞壁中释放出来,前提是先把细胞壁解离。其原理好象很简单,只需使用纤维素酶或果胶酶溶解即可。但执行起来却着实不易。如果酶过少或解离时间过短,则不能有效分散细胞;反之,细胞壁分解过度可能导致染色体游离到显微镜视野之外,而无法找到合适的观察对象。再者,处理的时间,压片时的轻重都会影响最终的结果……所以,除扎实的生物学理论外,研究人员还必须是能工巧匠。有专家指出,这也是造成植物染色体图谱远远晚于动物染色体图谱的原因之一。

除了手“巧”,也要脚“勤”--课题组成员常常要跋山涉水。野生植物大多都生长在人烟稀少与原始地带,采集过程格外艰苦。“柑桔祖先或野生近缘种(红河大翼橙),生长在云南红河州的一个边远山区,从该省省会昆明出发,即便开车也得1个星期才能到达目的地。”陈瑞阳举例说。同样是云南,其野生茶树生长在西双版纳靠近缅甸边境的原始森林里,无路可走。而为了考察采集野生与栽培茶的染色体,判断两者有无亲缘关系,陈教授们硬是“闯”出了一条“路”来。

在《图谱》的末尾,有上百位个人及50多家机构被鸣谢,“但也只是不完全统计。”陈教授说。“像收入书中的中国现有的3种野生水稻,分布在海南岛和云南的边远山区,找到这些珍稀植物都很难,没有相关科技工作者和当地人员的协助几乎无法完成。”

与感恩相伴,沮丧事也不时发生,大都因物种消失所引发。陈教授不无苦涩地对记者讲述这样一个“笑话”:有对美国夫妇到中国采集野生大豆,四处寻觅未果,坐在公园休息,丈夫一回头,身后就有1株!“由于产量不高,无法带来理想的经济收益,很多野生资源渐渐被遗忘、埋没甚至铲除。”陈教授曾在资料中得知,海南某地有野生稻,可当他火速赶到“现场”时却只看到一片楼房……

取样的困难不止于此。因为要看到染色体,必须采集活的处于分裂活跃期的植物材料(通常是萌动的根尖和芽)。然而,并不能确定采集的样本是否正处于分裂期,植物也可能在“睡觉”--事实上,植物细胞大多数时间都是这种状态,不过并非完全休息:分裂期时它们会忙于完成DNA和蛋白质的复制。可是,能够观察到成形染色体分裂期的因物种而异,只占4%-10%。专家以蚕豆19.5小时的周期为例--其分裂期只有2小时,“剩下的17个半小时,则无法观察到成形的染色体。”

另外,植物的基因组中染色体数目比较多。有些植物,一个基因组中染色体的数目甚至高达几百条。庞大的数量,也增加了染色体图谱工作的难度。“中国目前有植物5万多种,而拥有染色体信息记录的,还不足20%-- 即使是这一小部分,也只是分散在各类文献当中。”洪德元院士说。

任何基因组研究工作所需经费都是巨大的。陈教授和研究集体得到了包括国家科学技术著作出版基金在内的多方资助。不过,在洪院士看来,基础性学科研究申请经费还是相对比较困难,且不易取得突破性的发现,“日久天长待在实验室中或野外,从事资料收集积累的工作,愿意为此投入的年轻人并不多。”而陈瑞阳很庆幸,在其周围,不乏踏实肯干的“小字辈”。

下一步,陈教授希望,能联合计算机专业的研究人员,为汇总到的植物基因组染色体图谱建立数学模型……