法国向日葵基因组研究论文摘要

不是。目前该种作物没有商业化的转基因品种。两个原因，第一，目前学界研究向日葵转基因的非常少；第二，转基因作物商业化生产需要国家颁布相应的许可证，目前向日葵没有。

向日葵究竟向不向日 方舟子 法学教授刘大生近日寄给我几篇文章，有的是法学文章，也有的是杂文。其中 有一组他写于1998年的文章《关于向日葵的陈述及对话》，大意是说经过他自己专 门的观察，发现向日葵并不像一般人认为的那样其花盘随着太阳转动；从逻辑上看 向日葵不可能转动，“那么粗硬的东西，怎么好随意转动呢？”；所有的工具书只 说向日葵转而不说它如何转，说明编撰者们在这个问题上是“囊中羞涩”，“肚里 无货”，根本说不出来。但是所有的工具书和教科书都说向日葵是向日的，欺 全世界60亿人。他写了一篇《向日葵如何向日？》的文章揭穿这个大，投了几 家报刊，都未被接受，只好拿到网上发表，也没有引起反响。他觉得很悲哀，“为 了反愚昧、反欺、反荒唐”，想在网上再次发表，呼吁“向日葵仅仅向东，向日 葵并不向日。中小学教师们，文学家们，科普作家们，工具书的编撰者们，请您们 慎重，不要再愚弄全人类了。” 其实只要观察过向日葵的人，都难免有同样的困惑，虽然未必像刘教授那么愤 怒。比如作家张抗抗写过一篇散文《向日葵》，她在天山脚下发现一大片背对着太 阳的向日葵，在夕阳西下时，“却依然无动于衷，纹丝不动，固执地颔首朝东，只 将那一圈圈绿色的蒂盘对着西斜的太阳。”不由发出一连串的疑问：“那众所周知 的向阳花儿，莫非竟是一个弥天大谎么？”“究竟是天下的向日葵，根本从来就没 有围着太阳旋转的习性，还是这天山脚下的向日葵，忽然改变了它的遗传基因，成 为一个叛逆的例外？”“它们一定是一些从异域引进的特殊品种，被天山的雪水滋 养，变成了向日葵种群中的异类？”……在我读幼儿园的时候，我家的阳台上曾种 过一株向日葵，我也曾奇怪它怎么是一动不动的，没有像儿歌唱的那样“葵花朵朵 向太阳”。不过我没有那么多疑问，只把原因归咎于没把向日葵种好。 向日葵原产北美洲，在1510年被西班牙殖民者带回欧洲，万历年间又由传教士 传入中国。西方博物学家都注意到向日葵的向日性，明末清初的学者在记载向日葵 时，也都特别提及其向日性，1688年出版的《花镜》说得更是详细：“向日葵，一 名西番葵。高一、二丈，叶大于蜀葵，尖狭多刻缺。六月开花，每杆顶上只一花， 黄办大心，其形如盘。随太阳回转，如日东升则花朝东，日中天则花直朝上，日西 沉则花朝西。”中国原来的葵指的是葵菜，也有向日性，唐宋诗人曾反复吟咏，如 杜诗：“葵藿倾太阳，物性固莫夺。”（藿的意思是豆叶）梅尧臣《葵花》诗： “此心生不背朝阳，肯信众草能翳之。”刘克庄诗《葵》：“生长古墙阴，，园荒 草木深。可曾沾雨露，不改向阳心。”可见自古以来“葵”就与“向阳”紧密联系 在一起。我怀疑向日葵的名称由刚传入时的“丈菊”、“西番菊”而改叫“向日葵”、 “西番葵”，即与其向日性有关，以致现在说的“葵花”变成专指向日葵，甚至使 某些注家误以为唐宋诗人所说的葵花也指向日葵了。 那么向日葵究竟向不向日？难道这真是一个几乎愚弄了所有人的大？答案 是：要看处于什么生长阶段。像工具书那样笼统地说向日葵“常朝着太阳”，是不 准确的，这是引起无数人的误解、张抗抗的疑惑和刘大生的愤怒的原因。向日葵从 发芽到花盘盛开之前这一段时间，的确是向日的，其叶子和花盘在白天追随太阳从 东转向西，不过并非即时的跟随，植物学家测量过，其花盘的指向落后太阳大约12 度，即48分钟。太阳下山后，向日葵的花盘又慢慢往回摆，在大约凌晨3点时，又 朝向东方等待太阳升起。但是，花盘一旦盛开后，就不再向日转动，而是固定朝向 东方了。刘大生、张抗抗观察的是已盛开的向日葵，所以只看到它们一动不动地面 向东方。 绿色植物向日，实际上是为了充分地利用阳光进行光合作用，因此向日性实际 上是向光性。古人虽然很早就注意到植物的向日性（至迟在三国时期就已注意到， 曹植《求通亲亲表》说：“若葵藿之倾叶，太阳虽不为之回光，然终向之者，诚 也。”），但只将之解释为“物性”，用来做比喻，却没有想到要用科学方法研究 其奥秘。最早研究植物向光性的是——还会有谁——生物学之父达尔文。他在随贝 格尔号环球旅行时，随身带了几只鸟，为了喂养这些鸟，又在船舱中种了一种叫草 芦的草。船舱很暗，只有窗户透射进阳光，达尔文注意到，草的幼苗向窗户的方向 弯曲、生长。但后来几十年间，达尔文忙着创建进化论，直到其晚年，才着手进行 一系列实验研究向光性的问题，在1880年出版的《植物的运动力》一书中总结了这 些实验结果。达尔文是用草的种子做这些实验的。草的种子发芽时，胚芽外面套着 一层胚芽鞘，胚芽鞘首先破土而出，保护胚芽在出土时不受损伤。达尔文发现胚芽 鞘是向光性的关键。如果把种子种在黑暗中，它们的胚芽鞘将垂直向上生长。如果 让阳光从一侧照射秧苗，胚芽鞘则向阳光的方向弯曲。如果把胚芽鞘尖端切掉，或 用不透明的东西盖住，虽然光还能照射胚芽鞘，胚芽鞘也不再向光弯曲。如果是用 透明的东西遮盖胚芽鞘，则胚芽鞘向光弯曲，而且，即使用不透光的黑色沙土掩埋 胚芽鞘而只留出尖端，被掩埋的胚芽鞘仍然向光弯曲。达尔文推测，在胚芽鞘的尖 端分泌一种信号物质，向下输送到会弯曲的部分，是这种信号物质导致了胚芽鞘向 光弯曲。 达尔文的发现随后引起了生物学家们浓厚的兴趣。1913年，丹麦生物学家波义 森－简森（Peter Boysen-Jensen）进一步验证了达尔文的推测。他切下胚芽鞘的 尖端，在切面上放上一层凝胶，再把尖端放回去，胚芽鞘的向光性保持不变。但是 如果在中间放的不是凝胶而是不通透的云母片，向光性就消失了。而且，只有把云 母片插在切面背光的一面，才会防止向光性，如果是插在向光的一面，则向光性正 常。这就表明信号物质是从胚芽鞘尖端传递到胚芽鞘背光的一面，使那里的细胞 生长速度要比向光的一面快，导致弯曲。1918年帕尔（A. Paal）证实了波义森－ 简森的结果。他在黑暗中切下胚芽鞘的尖端，用光照射该尖端后再放回胚芽鞘的切 面，但是放的时候偏离中心，放在一侧，他发现胚芽鞘生长时就往另一侧弯曲。 1925年索丁（H. Soding）发现，如果把胚芽鞘尖端切掉，则胚芽鞘的生长受抑制， 但是如果把切下的胚芽鞘尖端放回去，则胚芽鞘的生长恢复正常，表明胚芽鞘尖端 含有刺激细胞生长的信号物质。1926年，一名荷兰研究生文特（Fritz Went）用一 个简单的办法分离出了这种信号物质。他切下燕麦胚芽鞘的尖端，把它放在琼脂上 放数个小时，然后把琼脂放到胚芽鞘残部，发现琼脂能刺激胚芽鞘的生长，表明有 能刺激生长的物质从胚芽鞘尖端渗透到了琼脂中。这种物质后来被称为生长素。两 年后，文特发明了一种办法定量地测定生长素的活性。他把渗透了生长素的琼脂放 在燕麦胚芽鞘残部的一侧，在黑暗中，燕麦胚芽鞘将向另一侧弯曲。如此在黑暗中 生长一个半小时后，测定胚芽鞘的弯曲度，越弯曲，则说明琼脂中含有的生长素活 性越强（比如说，用的胚芽鞘尖端越多），这种测定法后来被称为燕麦测试法。文 特也发现，是生长素的不均匀分布导致植物的向光性。让光从一侧照射胚芽鞘尖端， 然后将胚芽鞘尖端切下放在两块琼脂上，在原来背光和向光的一侧各放一块。几个 小时后用燕麦测试法分别测定这两块琼脂所含生长素的活性，发现背光的那块几乎 是向光的那块的两倍。 那么这种生长素又是什么化学物质呢？可惜的是，胚芽鞘尖端所含的生长素的 量实在是太少的，没法将之提取、纯化和测定其化学结构。科学家们只能用从其他 来源提取的物质用燕麦测定法测定其生长素活性。1931年，荷兰科学家科格尔（Fritz Kogl）和哈根－史密特（Arie J. Haagen-Smit）首次从人尿中提取出了一种能刺激植物生长的物质，称之为生长素A（即三醇酸）。科格尔后来又从人尿中提取出了几种生长素，其中活性最强的是β－吲哚乙酸，这种物质实际上早在1885年被从发酵液中提取出来了，只不过人们当时不知道它是一种生长素。β－吲哚乙酸成了人们所发现的第一种真正的植物生长素，也是最主要的生长素。现在我们从分子水平上对生长素的作用机理有了一定的了解，不过有许多细节仍然搞不清楚。简单地说，是这样的：光（以蓝光最有效，用微弱的蓝光照射一、两秒就能引发向光性）照射到芽的尖端，被光受体（某种蛋白质，包括一种被称为趋光蛋白的黄素蛋白）吸收，激发生长素的合成。光同时刺激在向光面和背光面的生长素的合成，但是背光面的生长素合成量要高三倍。在芽尖合成的生长素经由维管组织向下传输，与细胞膜上 的蛋白质受体结合，刺激细胞壁拉长。由于背光面的生长素浓度较高，导致背光面 的细胞被拉得较长，从而朝着向光面弯曲。生长素还有许多特性，其中一种是：如 果含量太高，它将抑制而不是刺激植物的生长。 现在我们再回到向日葵。显然，向日葵的叶子和花盘之所以能朝着太阳转动，不必像刘教授设想的那样“除非在它的脖子上安装一个轴承”。在阳光的照射下， 生长素在向日葵背光一面含量升高，刺激背光面细胞拉长，从而慢慢地向太阳转动。 在太阳落山后，生长素重新分布，又使向日葵慢慢地转回起始位置，也就是东方。 在花盘盛开后，向日葵也停止了生长，而把花盘固定朝向东方。为什么最后要 面向东方而不是其他方向或朝上呢？这可能是自然选择的结果，对向日葵的繁衍有 益处。向日葵的花粉怕高温，如果温度高于30摄氏度，就会被灼伤，因此固定朝向 东方，可以避免正午阳光的直射，减少辐射量。但是，花盘一大早就受阳光照射， 却有助于烘干在夜晚时凝聚的露水，减少受霉菌侵袭的可能性，而且在寒冷的早晨， 在阳光的照射下使向日葵的花盘成了温暖的小窝，能吸引昆虫在那里停留帮助传粉。 通过以上的介绍，我想已足以消除刘大生、张抗抗以及某些观察过向日葵的大 人、小孩的困惑了。他们不轻信常识，能够自己做观察验证，敢于挑战权威，这是 难能可贵的。可惜的是他们的观察既不系统也不细致，又没能查阅足够的专业资料， 因此疑惑不解，甚至匆忙地得出了的结论。在科学问题上，仅有探索、怀疑精 神是不够的。当然，一些辞书、科普文章不严谨的甚至错误的说法也要负一定的责 任，应该做出相应的修改。 （载《科学世界》2004年第10期）

多倍化（polyploidy）或全基因加倍/复制（whole genome duplication, WGD）事件是指基因组内的所有序列都发生重复，重复为生物进化提供了原始的遗传材料， 使植物基因组快速重组，丢失大量基因，增加结构变异，对植物进化极其重要。

全基因组加倍事件结果：可以增加一个物种所有的基因拷贝，但在自然选择的作用下， 倍增后的基因会经历不同的命运：

多倍体植物广泛存在于自然界中，如日常生活中的马铃薯、小麦、棉花等。多倍化事件或全基因组复制事件直接将染色体进行加倍， 被认为是一种物种分化的驱动力 。研究发现多倍化在有花植物进化过程中十分频繁，在现存的被子植物和种子植物分化之前，都分别发生过加倍事件，可能对花和种子的产生有重要贡献 （Jiao et al., 2011）。基因组加倍为物种提供了丰盛的演化材料（图1）。被认为是提升了物种多样性、环境适应能力等（Jiao, 2018）。多倍化后的物种需要在原植物多倍化的研究对于生物进化、物种保护及遗传育种等方面都具有重要的理论指导意义及实践应用价值。

全基因组复制（Whole genome duplication, WGD），为物种提供了丰盛的演化材料。虽然全基因组复制事件被认为是提升了物种的环境适应能力，但一切都仅仅只是假说。实际上，多倍化一直以来都被认为是物种命运“死胡同”，因为多倍化后的物种需要在原先的“社会环境”中与二倍体物种争夺生态位。相反，由于具有更多演化的可能性， 多倍化物种能够在有高环境压力胁迫的环境中拔得头筹，因此高胁迫环境的出现就如滤筛一般，帮助多倍化物种获得生态位。

过去的十年是对植物古多倍化研究的高峰时期。一些重要的古多倍化事件，与这些事件带来的物种爆发以及个别基因功能的演化，不断得到识别。例如：

看似对于重要类群而言，没有全基因组复制事件傍身，都不好意思发生分化。

不同证据表明，全基因组复制事件发生于植物演化的不同时期。但巧合的是，有大量的重复事件发生于 白垩纪-第三纪大灭绝事件（Cretaceous–Paleogene，K-Pg） ，也被称为K-Pg线，即传闻让所有恐龙不复存在的那次生物大灭绝事件。这也暗示着， 全基因组复制事件可能帮助物种适应当时恶劣的气候环境，使得他们于灭绝事件中存活下来 。但对于此，一切都仅仅是猜测，尚未有明确的遗传学证据证明。

先前的研究识别了不同类群的WGD事件所复制的基因，虽然他们并没有将这些事件串联起来，以总结被子植物的规律，但结果也揭示了，基因组复制事件的确是物种自身的基因调控网络变得更为复杂的原因之一。

鉴定全基因组复制的方法一般可以通过以下三种：

第一种可以通过基因（基因组）的共线性（synteny）进行识别，方法比较直观。其方法是全基因组范围比较两个物种的基因（基因组）的序列，并将同源序列的位置绘制成点状图，如果能在点状图中发现比较明显的长片段，并且这样的长片段比较多，便可以推测是由于大尺度的基因组重复以后保留下来的痕迹，而一般我们假想这种大尺度的基因组重复往往就是全基因组发生了复制。

同样，对于单个物种而言，我们也可以绘制基因组内部的共线性的点状图，如果发现同一个物种的基因（基因组）的区间可以匹配到多个不同的区间中，这就暗示了该物种经历过基因组的加倍事件。但对于经历过多次全基因组加倍事件的物种来说，后来的加倍事件会加速上一次加倍事件的基因丢失，造成上一次加倍事件的痕迹越来越不明显，这也给共线性分析带来干扰。

假设这个基因没有受到自然选择压力，那么根据中性选择理论，非同义替换率和同义替换率应该是相同的。但一般来讲，非同义替换会造成氨基酸的改变，进而影响蛋白质的构象和功能，因此会造成适应性的变化，从而带来自然选择的优势或劣势（一般是劣势）。而同义替换没有改变蛋白质的组成，因此不受自然选择的影响，那么 Ks 就能反映进化过程的背景碱基的替换率。Ka/Ks 的比值就能说明这个基因是受到了何种选择。

Ks 代表了进化过程的背景碱基替换率，因此可以用 Ks 来反推事件发生的时间，如全基因组多倍化的时间，这在探究物种起源方面有重要应用。这也是目前比较流行的方法。全基因组加倍事件会产生大量的同源基因，反映在 Ks 值上便是会有大量的 Ks 值接近的同源基因对的产生，通过统计这些同源基因对的数量，绘制Ks 值的分布图便可以发现明显的 Ks 值峰，而这些峰也就对应了全基因组的加倍事件。这种方法是基于两点假设：基因的突变频率是稳定的；同义突变（Ks）不会影响物种适应性，因为并不会造成氨基酸序列的变化。

要进行 Ks 分析，首先要找到 同源基因对 ，在 不同的物种 里面（比如向日葵-咖啡），是 找最近的直系同源基因（ortholog ），而在 一个物种内部 （比如向日葵-向日葵），则是 找最近的旁系同源基因（paralog） 。通过计算这些基因的 Ks 值，我们就可以绘制出不同 Ks 值对应的基因对数量的分布图。 旁系同源基因对的 Ks 分布峰值对应全基因组复制事件，直系同源基因对的峰值对应物种的分化事件 ，借助于物种分化事件对应的时间，可以推出全基因组复制事件发生的时间。

4DTV( four-fold synonymous (degenerative) third-codon transversion)一个遗传密码子通常由三个核苷酸构成，从左到右依次为第一个位点、第二个位点、第三个位点。如果密码子的某个位点上无论是哪种核苷酸，均编码同样的氨基酸，则称这个位点为 4 倍简并位点。例如甘氨酸密码子（GGA, GGG, GGC, GGU）的第三个位点就是一个 4 倍简并位点。按照密码子表，目前只有某些密码子的第三个位点才可能是 4 倍简并位点。 4 倍简并位点存在使得使基因更加耐受点突变，可以容忍密码子第三位的任何变异 。

基因组共线性是基因组加倍比较直接的证据，通过比较两个基因组的序列并将共线性的区域作图展示，可以直观发现全基因组加倍的痕迹。

同义突变 指突变并不影响氨基酸序列，进而不会影响蛋白结构与功能。一般认为，同义突变不受自然选择， 同义突变率（Ks）的计算为同义突变SNP数/同义位点数 。由于同义位点突变不会引起氨基酸的变化，可以认为对编码蛋白没有影响，那么密码子同义位点的变化是完全随机的，并随时间推移累积。 如果物种发生了全基因组加倍事件，现有基因组中会有一定数量的基因保留下来， ，计算得到的Ks值也接近，在某一个Ks值处会形成一个峰（ks peak）。如果这处Ks值的基因数目足够多，就会形成比较尖的峰值，可以认为在进化过程中该处发生过全基因组加倍事件。

4DTv与Ks有异曲同工之处（Tang et al., 2008）。 如果密码子的某个位点上任何核苷酸的改变都不影响其编码的氨基酸，则称这个位点为4倍简并位点（fourfold degenerate site）。 是指 共线性区段所包含的基因对的4DTv值可反映物种在进化史中的物种相对分化事件以及全基因组复制事件 。4DTv指4D位点上发生颠换（嘌呤突变为嘧啶或者嘧啶突变为嘌呤）的位点所占的比例。

以辣椒基因组文章中的4DTv和罂粟基因组文章中的Ks结果为例，解析全基因组复制事件。在辣椒基因组（Qin et al., 2014）文章中（如图3），选取了辣椒（pepper）、葡萄（grape）、土豆（potato）、番茄（tomato）进行4DTv分析。结果如下图。从图中可以看出在辣椒和葡萄分后（黄色线，4DTv值处）， 茄科植物辣椒、土豆和番茄在分化之前共同发生了全基因组复制 （图中指示WGD位置，黑线、蓝线和红线在4DTv值处的峰值），之后辣椒和番茄分开（图中绿线，4DTv值处）。

关于4DTv如何推断全基因组加倍时间，文章中也给出了建议：在4DTv值和处分别为辣椒和葡萄、辣椒和番茄的物种分化时间，对应的时间点为∼89和20Mya，辣椒、番茄和土豆共有的全基因组加倍事件在4DTv值约处，基于此可以大致推断该全基因组复制事件发生的时间约在55Mya。

在罂粟基因组文章(Guo et al., 2018)中，选取了罂粟（opium poppy）、耧斗菜（Aquilegia coerulea）、莲（otus）、葡萄（grape）、拟南芥（Arabidopsis）进行Ks分析，结果如下图，从Ks峰图和进化树可以看出：

多倍化在被子植物中普遍存在，几乎所有的被子植物基因组都经历过多倍化事件，与人们生产生活密切相关的许多作物都是多倍体或古多倍体。多倍化是被子植物进化的重要力量，许多植物物种就是多倍化形成的。例如，拟南芥基因组经历了至少3次多倍化事件，水稻基因组经历了至少2次多倍化事件，玉米基因组经历了至少3次多倍化事件。 在多倍化发生后，整个基因组将经历快速的进化以重建二倍体的二倍化过程 。在二倍化过程中，发生大量持续性的基因丢失事件。在以往的研究中发现， 二倍化过程中基因的保留和丢失具有显著的偏好性，某些功能类别的基因更倾向被保留下来 。然而，基因保留和丢失的偏好性这一现象背后的机制至今尚没有明确的结论。

中国科学院昆明植物研究所国家大科学装置中国西南野生生物种质资源库植物种质资源与基因组学研究中心高立志研究员课题组历时六年，对拟南芥、水稻、玉米、高粱、杨树和大豆六个植物基因组的全基因组重复现象进行详尽的分析，深入研究了 基因的诸多生物学特征对基因保留和丢失偏好性的影响，发现基因的进化速率、结构复杂性与GC含量对基因保留具有显著的影响 ，进一步的分析表明: (1) 基因的特征在一定程度上决定了全基因组重复发生后保留的重复基因倾向于通过哪一种机制留存在基因组中； (2) 结构复杂的基因发生亚功能化的几率最高； (3) 低进化速率的基因往往受到剂量平衡效应的影响； (4) 而高GC含量的基因更倾向发生新功能化；

该研究第一次在多达六个有花植物基因组中对全基因组重复现象进行了比较分析，通过详细的统计学分析发现了决定基因保留或丢失的一些普遍性机制。研究结果不仅有助于目前全基因组重复后重复基因进化命运的诸多进化模型争议的解决，对进一步的研究提供了重要启示，即基因本身的特征对其进化命运具有显著的影响。 该成果在线发表于植物学领域著名学术刊物美国《植物生理学报》（Plant Physiology），"Prevalent role of gene features in determining evolutionary fates of WGD duplicated genes in flowering plants" 。

参考链接：

向日葵的基因遗传是不遵循自由组合的，这是因为只有特定的几个位置的基因能够影响花色，其他基因没有影响，因此基因的组合不遵循自由组合。