在植物基因組中，除了那些我們熟悉的控制開花時間、抗病能力和產量的“常規基因”，還有一類特別的“跳躍基因”——轉座子。它們就像基因組里的“唱跳練習生”，隨時可能換個位置，閃亮登場。轉座子有時悄悄“插隊”到某個基因附近，改變基因的表達節奏；有時又“搬家”到新的位置，帶來全新的表觀遺傳變化。科學家曾經認為它們只是無關緊要的“雜音”，但事實證明，它們卻頻頻在植物進化舞臺上“C 位出道”。

從“瘋狂”到諾貝爾獎——轉座子是如何被發現的？

轉座子的“唱跳”天賦并不是最近才被發現的。早在1951年，美國女科學家芭芭拉·麥克林托克（Barbara McClintock）就在冷泉港研討會上首次提出了基因“跳躍”的理論。當時，她在研究玉米籽粒顏色的遺傳規律時，發現某些基因的位置居然會在不同世代之間“變來變去”，就像會自己挪動的拼圖塊。她注意到，這種跳動與籽粒上出現的斑點花紋有直接關系——有的籽粒顏色深淺不一，就是因為轉座子插入或離開了與色素合成相關的基因。

這一發現顛覆了當時“基因位置固定不變”的主流觀點，但在那個年代，她的理論并未立刻被廣泛接受，甚至有人覺得她的想法“太瘋狂”。直到數十年后，分子生物學的進步才讓科學界證實了她的預言。1993 年，麥克林托克因“發現可移動的遺傳元件”獲得諾貝爾生理學或醫學獎，成為這一領域最閃亮的“星探”和伯樂。

“減益”與“加成”——轉座子的雙面特性

轉座子的“跳躍”有時像給植物加了debuff（敏感性增加），可能削弱植物在某些環境中的競爭力；有時則像觸發了 buff（抗寒、抗旱），幫助它們在惡劣環境中穩定生長。

具體來說，前人研究中發現，番茄slDCL2a基因中一個罕見的MuDR轉座子插入，導致slDCL2a基因表達顯著下降，使攜帶MuDR插入的等位基因的植物更易感染RNA病毒，從而使其更易感染晚疫病。另外，番茄中還發現一個COPIA轉座子插入Ph-3基因的外顯子區域，導致Ph-3基因（抗疫霉菌）轉錄本截短、表達量降低，這種變化可能增加植物對疫霉菌的敏感性。

除了負面影響，轉座子也能帶來積極的變化。近期研究人員通過全基因組圖譜構建和重測序數據分析，在模式植物水稻中發現了超過 3 萬個轉座子插入多態性（TIP）位點，并利用轉座子插入多態性全基因組關聯分析方法鎖定 OsCACT 等新的耐冷候選基因。功能驗證結果表明，這些基因顯著提升了水稻在低溫環境下的存活率。這項成果不僅為水稻培育提供了新的靶點，也凸顯了轉座子在適應性進化中作為“幕后推手”的角色——它們猶如為植物悄悄設計的一件“防寒外套”。

正是這種“正負雙刃劍”的特性，使得轉座子成為推動植物適應性進化的重要變量——它們既可能帶來突破性的生存優勢，也可能制造不利因素，從而在自然選擇的篩選下，塑造出更適應環境的植物群體。

適應性進化：從“隨機跳躍”到“生存智慧”

轉座子的跳躍本質上是一種隨機變化，但在長期環境篩選下，有利的跳躍會被保留下來，不利的則被淘汰。比如，長末端重復序列（LTR）逆轉座子插入BnSHP1.A9的啟動子區域，通過DNA甲基化表觀遺傳沉默BnSHP1.A9的表達，從而增強了油菜的豆莢抗裂性。hAT、MITE和LINE轉座子的插入還與油菜開花時間變化相關。例如，BnaA10.FLC基因第一個外顯子中插入的LINE導致功能喪失，春型油菜（SOR）春化需求減弱或不需春化；MITE插入啟動子區增強BnaA10.FLC表達，使冬型油菜（WOR）需較強春化；而hAT插入使半冬型油菜（SWOR）的春化需求介于兩者之間。

轉座子通過引入新的基因調控機制，改變基因表達的時空模式，賦予植物更強的環境適應能力。這些基因組中的“偶然改造”，就像植物的“生存手冊”，歷代積累，形成豐富的遺傳智慧。植物不僅被動適應環境，更像擁有一套靈活的“基因工具箱”，能在環境變化時迅速調整自身生理狀態。

因此，適應性進化不僅是隨機突變的緩慢積累，更包含了轉座子等能夠“自我改造”的動態過程，是自然選擇與基因組靈活性共同作用的結果。正是這份“生存智慧”，成就了植物的多樣性與廣泛適應性。

轉座子與農業科技的結合

隨著基因組學、轉錄組學、表觀遺傳學以及單細胞測序的發展，我們現在不僅能追蹤轉座子的歷史“足跡”，還能實時觀察它們在不同環境下的“活動軌跡”。更令人期待的是，科學家們正嘗試將轉座子“馴化”為可控的育種工具。

研究人員整理了多態性轉座子信息數據庫，供全球科研人員在線查詢和利用，作為分子標記輔助選育更優質品種。未來，借助基因編輯等技術，或可在特定環境下精準激活這些轉座子，使作物“快速升級”，更好應對干旱、高鹽、病害等脅迫。

在全球氣候變化的大背景下，轉座子作為基因組中具有高變異性和調控潛力的重要因子，有望成為保障糧食安全的關鍵力量。我們不再被動等待自然選擇的緩慢篩選，而是可以主動調控這些轉座子，為現代農業生產“排兵布陣”，實現更加精準高效的作物改良。

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策劃：謝蕓

作者：宋佳明 西南大學研究員、博士生導師

審核專家：陳玲玲 崖州灣國家實驗室教授、博士生導師

來源: 大國糧策

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