討厭雜交的大芻草

大芻草（teosinte）是玉米的祖先，也因此，有不少研究也會使用大芻草來進行。但是，大部分的研究都只是將大芻草當作參考。

上：大芻草；中：大芻草與玉米的雜交；下：栽培種玉米。圖片取自維基百科。

最近有一個研究發現，原來大芻草竟然有個特殊的「自殺系統」！這個「自殺系統」讓大芻草與其他玉米雜交時，會出現花粉不育的現象。

他們是如何發現的？原來，他們在種植玉米與大芻草雜交的後代時，注意到有些雜交植物出現了花粉不育的現象，但是計算比例卻發現，並不符合典型的孟德爾遺傳現象。

這讓他們覺得有趣，於是就開始進行研究。結果發現，這個特徵的確是可以遺傳的，因為它在多代之間持續存在。

透過進行單粒花粉的定序，他們發現某些來自大芻草的基因在有活性的花粉中比例特別高。最後，他們找到了相關的基因，一共三個，且位於不同染色體。其中兩個位於第五號染色體，另一個則位於第六號染色體。位於第五號染色體的兩個基因，其中一個是脂肪酶，負責產生花粉所需要的脂肪；另一個基因（Tpd1）則會產生一個小干擾核糖核酸（siRNA）。

研究團隊發現，Tpd1產生的siRNA與脂肪酶的信息核糖核酸的部分序列互補，於是當Tpd1表現時，它會透過基因沉默（gene silencing）機制把脂肪酶的基因關掉，於是脂肪酶就不能產生。更糟糕的是，Tpd1的siRNA還會去引發更多的次級siRNA產生，讓脂肪酶基因根本無法表現。

但是，脂肪酶所合成的脂肪，是花粉必需的；所以這麼一來，花粉發育就會出現問題，造成不育。

大家看到這裡，可能會想，大芻草帶著這樣的東西，怎麼還能活呢？

不要急，我們不是提到，還有第三個基因在第六號染色體上嗎？研究團隊發現，這第三個基因會去抑制那些次級siRNA的產生，所以只剩下Tpd1的siRNA。另外，大芻草還有第四個基因，可以跟第三個基因一起合作，讓次級siRNA無法產生。

雖然還是有Tpd1的siRNA存在，但是量並不是很多，所以在這樣的狀況下，脂肪酶可以表現、合成脂肪，花粉發育就沒問題了。

但是，一旦大芻草與玉米雜交之後，因為第三個基因與另外兩個基因不在同一個染色體上，所以它們就會被分開。一旦分開，Tpd1就會表現，然後脂肪酶被抑制，接著...就完蛋了。

可是，為什麼大芻草要有這樣的「自殺系統」呢？研究團隊認為，有可能這只是TPD系統要保證自己會被遺傳下去所演化出來的機制、也有可能是大芻草要維持生殖隔離的一種方法、更或許只是一不小心跑出來的怪東西...總而言之，這造成大芻草在跟其他近緣種（比如玉米）雜交時，會有後代大量消失的現象；至於有沒有好處？目前還看不出來！

參考文獻：

Berube, B., Ernst, E., Cahn, J. et al. Teosinte Pollen Drive guides maize diversification and domestication by RNAi. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07788-0