Newsletter No. 443

4 443 • 19.9.2014 洞明集 In Plain View 大豆和鹽漬化 中國是全球人口最多的國家，鹽漬化可耕地有六百七十萬公 頃，位列世界第四。鹽漬化往往是由於灌溉不當、高鹽度地 下水蒸發和海水倒灌造成。耕地鹽漬化會影響作物的產量 和品質，因此，培植耐鹽作物是當務之急。 生命科學學院教授兼大豆研究中心主任 林漢明 成功發現能 令大豆耐鹽的基因。 這研究乃以林教授2010年的發現為基礎，當時他和研究團 隊破解了三十一種大豆基因組密碼，揭示野生大豆比人工培 植大豆有更高生物多樣性，並保存了耐逆基因，以利於自然 環境中生長；而人工培植的大豆則已失去適應惡劣環境的 基因。 利用野生種源 林教授應用了基因組學、遺傳學和分子生物學的最新技術， 抽取野生大豆的耐鹽基因。實驗對象是一種已證實耐鹽程 度極高的野生大豆，現稱之為W05，在鹽處理實驗下，W05 抵受住高鹽環境存活下來，而對鹽分敏感、稱為C08的大 豆，葉子則皺起來，最後枯萎。 遺傳種群 研究人員以人工授粉方法為W05和C08繁殖後代，這是很 漫長的過程，因為要建立一個基因結構穩定的種群，並非繁 殖一代便能成事，而是要經歷多代。七年之後，繁殖的後代 的馴化程度已達到99.99%，即基因變化已趨於完全穩定， 研究人員可用來作可靠和反覆的比較。 基因測序過程 林教授的團隊以先進的全基因組測序技術，對W05的基因 組和基因型進行解碼，亦即找出這個種群的基因結構差異。 「譬如說我們選了九十六種大豆，每種有二十條染色體，是 否每條都帶有父母基因呢？」他解釋，「以往的遺傳學研究 會採用分子標記方法，這種方法分辨率很低。現在我們可以 透過基因測序，更準確知道該大豆的父母基因分布。」 那麼又如何從浩繁的基因資料找到耐鹽基因？科學家得花 多年在農田和溫室蒐集數據。「這是另一個冗長乏味的過 程，我們要摒除自然環境的影響，因為自然環境每年都可能 不同。」林教授續指出：「我們觀察和測量大豆的特徵，例如 種子大小、抗鹽程度等，然後以生物信息學方法分析數據， 找出那些植物的基因結構與其在田間表現有何關聯。」 聚焦目標 研究人員觀察到大豆的十一種特徵，成功找到與它們相關 的主效基因所處位置，又發現在W05的三號染色體中有一個 區域專門主宰大豆的耐鹽程度，該區域有幾十個基因，他們 利用多種不同方法，終於找到目標基因。 要確定他們所觀察到的現象不限於W05和C08，研究人員 對其他野生和培植品種進行相同測試，發現所有耐鹽大豆 均含有該基因，而在對鹽分敏感的大豆內，該基因已突變而 永久失去該功能。植物生長於肥沃和灌溉充分的土地上，會 經歷基因突變，棄掉無用基因以節省資源。 以分子生物學驗證 研究人員接着以分子生物學來證明該基因確實負責控制植 物的耐鹽程度。他們以轉基因方法將目標基因放進植物細 胞，發現與沒有目標基因的植物相比，注入該基因的植物較 能抵受鹽處理而存活。他們也將目標基因注入C08的根部， 同時將一個不相干的基因注入另一棵C08樣本中，比較兩 者，他們發現目標基因在鹽處理中表現較優，並為帶有該基 因的植物提供更佳的保護。 林教授解釋：「這有兩個意義，一是我們可在細胞層面令植 物免受鹽害，二是我們可影響鈉離子的積聚。鈉離子是鹽的 重要成分，是有毒性的，一旦進入植物細胞，會影響植物機 能。我們發現目標基因可降低植物的鈉離子水平。」 展望未來 林教授希望可與中國西北或東北的研究單位合作，取得耐旱 和適應力強的大豆，並加入耐鹽基因，培育出能在極惡劣環 境生長的「超級大豆」，改善貧農的生活。 研究結果刊登於2014年7月的《自然通訊》。 尋找耐鹽大豆 Growing Soybeans Worth Their Salt 世界愈來愈缺乏足夠耕地生產糧食應付人口所需。按聯合國資料，全球人口將由2013年的七十二 億增至2050年的九十六億，然而可耕地面積預計由2005年至2050年只增加百分之五，一個重要原 因是全球逾九億公頃土地受鹽漬化影響，而當中一成位於中國。 The world is running out of farmland to feed its people. According to the UN, the world’s population will grow from 7.2 billion in 2013 to 9.6 billion in 2050, yet the area of arable land will only increase by 5% between 2005 and 2050. One major problem is that over 900 million hectares of land is salinized and 10% of this is in China. Soy and Salinization China, the world’s most populous country, has 6.7 million hectares of saline arable lands, ranking fourth worldwide. The causes of salinization are usually improper irrigation, excessive evaporation of salty underground water, and intrusion of seawater. Salinization hampers both the productivity and quality of crops. Developing salt tolerant crops, therefore, is a pressing issue. Prof. Lam Hon-ming , professor in the School of Life Sciences and director of the Centre for Soybean Research, has succeeded in identifying the gene that makes soybeans salt tolerant. Professor Lam’s present research is built on a significant discovery he made when he and his team decoded 31 soybean genomes in 2010—wild soybeans have much higher biodiversity than cultivated ones and they may have retained genes that help them to fend for themselves in the natural environment. On the other hand, plants pampered by humans may have lost the genes that enable them to cope with adverse conditions. Making Use of Wild Germplasm In this research, Professor Lam and his team extracted the salt-tolerance gene from wild soybeans using the latest technologies in genomics, genetics, and molecular biology. Their target was a wild-grown soybean that’s been proved to be highly tolerant to salt. They named it W05. In salt treatment experiments, W05 survived, while its salt- sensitive counterpart, which the researchers named C08, had crumpled leaves and eventually wilted. Genetic Population The researchers tried to get W05 and C08 to produce offsprings through artificial pollination. This is a hugely time-consuming process because they need a population that is stable in its genetic makeup. This means breeding not one, but multiple generations. After seven years, the researchers observed that the descendants had reached a level of acclimatization of 99.99%, which means that their genetic changes had stabilized almost completely, allowing the researchers to make reliable and repeated comparisons. 研究大豆的原因 Motivation to Study Soybeans •大豆源於中國，但現時卻要從美國、巴西和阿根廷入口 China is the home of the soybean, yet currently it is importing most of it from the US, Brazil and Argentina •中國大豆的品種繁多，包括野生品種 China has the most soybean germplasms, including wild varieties •大豆有固氮作用，使土地回復肥沃，可減少使用化肥 The soybean has the ability to fix nitrogen, restoring soil fertility and reducing the need for chemical fertilizers 人工培植大豆 Cultivated soybean （C08） 野生大豆 Wild-grown soybean （W05） 對照樣本 Control Sample 經鹽處理樣本 Salt-treated Sample 對照樣本 Control Sample 經鹽處理樣本 Salt-treated Sample