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收到心爱的人送上一束美美的玫瑰花，是让所有女生都开心的事情。但是，如何把这些花朵插进花瓶，又不被上面的刺刺伤，就是一个让人挠头的事情了。最近，科学家发现一个古老的基因家族，或许能解决这个问题。

刺作为一种对抗食草动物的防御策略，是植物发展出了的有效装备。茎和叶的上尖刺都是典型的物理防御装备。这些尖刺的来源各不相同，有些是退化的枝条变形而来，皂荚树上密集的茎刺就是这样来的；有的是特殊的叶片及相关附属结构，小檗的尖刺被认为是特化的叶片，而大戟科植物霸王鞭上的尖刺就来源于托叶；还有一些是长在茎皮之上的皮刺，我们在月季上和茄子上碰到的刺，就是此种类型。皮刺的外形跟叶刺、茎刺很像，但实际上完全不一样，它们与茎的内部毫无关系，着生的位置很混乱，而且很容易剥离，剥离后的断面也很光滑。

相对来说，皮刺在更多更广泛的植物类群中都有分布，并且是在演化过程中多次出现，也就是说，植物在面对食草动物选择压力的时候，这种长刺的潜力就会展现出来。那么，皮刺的生长究竟与什么基因有关，它们又是如何控制皮刺生长呢？

美国冷泉港实验室取得了一项突破性发现：经历了数百万年的进化分离，植物长刺，或是因为源自同一个古老的基因家族。研究人员针对茄属植物开始分析，因为这个家族在栽培过程中，形成了众多有刺野生种和无刺栽培品种共存的局面。最终，科学家发现了一个名为“孤独的家伙”（LOG）的基因家族与刺有关。LOG基因通常负责制造一种导致细胞分裂和扩张的激素，某些LOG基因突变会使茄子植株上的刺消失。

在LOG基因家族中，一个名为PRICKLELESS（PL）的特定基因经历了独立的剪接位点突变，导致了这个基因失去了功能。在多刺茄属植物中，野生无刺物种从有刺祖先中起源了大约30次。在这30次刺的丧失中，近一半也存在PL基因的破坏。研究人员，通过基因编辑技术，破坏了，多种物种中的PL基因。除了导致刺的丧失外，并没没有观察到植株有其他形态或发育上的变化，最终得出结论，PL基因就是掌控皮刺生长的基因。

那么科学家是如何发现并确定一个基因的相关功能呢？关于遗传因子控制生物特性这件事儿，最早是由孟德尔提出的，1865年2月的奥地利自然科学学会会议上报告了自己进行的植物杂交研究结果，第二年在奥地利自然科学学会年刊上发表了著名的《植物杂交试验》论文，在文中，孟德尔阐述了遗传学的两项基本规律——基因的分离定律和基因的自由组合定律。同时还特别指出指出，生物的所有性状都是通过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位。但是在随后的四十多年时间里，此项研究基本上是停滞不前。

直到进入20世纪，摩尔根利用果蝇的相关研究，验证并发展了孟德尔，关于基因的研究才进入了快车道。1953年，沃森和克里克明确了DNA的双螺旋结构，但是，其分子内部的结构，特别是碱基对的排列顺序，我们很难窥视到。传统上，科研人员是基于蛋白质的结构来反推DNA的序列组成，这是一项庞大的且精准性较差的工作，所以，关于基因的研究一直十分缓慢。

进入二十一世纪，随着DNA测序技术和生物信息学技术突飞猛进，我们已经获得了越来越多的生物全基因组图谱，这就相当于拥有了一套完整的地理地貌地图，想要寻找独特风景的时候，再也不用无的放矢开盲盒了。通过比较突变个体和正常野生型个体之间的基因序列差别，我们就能很快定位相应的控制这些性状的基因。一场在试管里的荒野冒险，变成了在计算机里的找不同游戏，对于我们发现新的基因，起到了了重要作用。

发现新的基因之后，如何验证这个基因的功能呢？到今天，已经有了越来越多的分子生物学工具和方法，帮助我们了解基因的具体功能，其中最常用到的就是RNA干扰技术（RNAi）和基因编辑技术。

先说RNAi技术，简单来说，就是设计并合成出与基因转录产生的mRNA互补的RNA序列，二者结合后，就会被细胞内的酶切分讲解，从而使目标基因失去功能。基因也因此而沉默了，如此一来，就能验证基因的功能了。

但是，设计和合成DNA序列，转录RNA费时费工，新的基因编辑技术大有取而代之的势头。

目前CRISPR-Cas9已经成为实验室常用的基因编辑工具。这种技术是基于细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御，人家本来是用来对抗入侵的病毒及外源DNA 的。而CRISPR-Cas9基因编辑技术为研究人员提供了一把锋利地可以切割DNA的解剖刀。通过“切除”相应的DNA序列，就可以验证相关基因的功能。而在本次关于刺的研究中，科学家就是通过基因编辑技术，确证了LOG基因在皮刺生成过程中的决定性功能。

这个基因发现之后对我们有啥用呢？第一，当然是改造农作物了，消除一些植物的尖刺（比如树莓和玫瑰）可以极大方便相关的管护和采收工作；与此同时，我们可以生产不长尖刺的月季，可以更好地满足消费者的需求。第二，通过基因编辑的手段，可以创造出无刺的植物个体，把这些个体投入自然环境中，可以帮我们了解，植物的皮刺在生态学和生物演化上的真正意义。

不管怎么说，没有刺的月季上市，只是一个时间问题了，值得我们期待。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：史军

审核：顾垒 首都师范大学生命科学学院 副教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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