基因天然洗牌的秘密
「遺傳育種」運用的機制之一為：當生殖細胞進行減數分裂時，來自爸媽的同源染色體交換部份 DNA 片段、產生新的基因組合，像「天然洗牌」般完成基因重組。這看似簡單的育種過程，困難關鍵之一在於發生染色體重組的「位置」和「數目」有許多限制。
王中茹與研究團隊發現，當玉米的生殖母細胞進行減數分裂時，有一個關鍵蛋白質 DSY2 會影響 DNA 斷裂和互換。這基因重組的過程，是育種學家尋找更多有用的基因、產生更多遺傳組合，以培育更優良品種的基礎。
發現促成玉米基因「 天然洗牌」的關鍵蛋白質 DSY2 。
圖│研之有物
探討基因如何透過「天然洗牌」重組的過程，也就是研究「減數分裂時的染色體互換」。雖然是國際趨勢，但在台灣很少人在作物上分析其中的分子機制。因為這類基礎研究不會有什麼立即性的大發現，需要愚公移山的時間與精力。王中茹與相當年輕的團隊，憑著渴望了解新事物的好奇，在這個領域中執著於尋找控制基因重組的關鍵，除了滿足對遺傳學的熱情，更希望可以縮短育種的時程，找到解決糧食危機的機會。
要迅速了解 DSY2 蛋白質的功能，就像要迅速破關瑪莉歐遊戲一樣困難，如果早已忘記國高中課本教的「減數分裂」、「染色體聯會」等內容，讀到這裡可能會怒關視窗。但別急，本文從王中茹的研究生涯專訪說起，像愛麗絲掉進兔子洞般，縮小自己進入顯微鏡的奇幻世界，發現以前課本不會教的染色體奧妙。
擁有人生中第一台顯微鏡，是什麼時候？
國小三年級時，我梭哈自己畢生存的壓歲錢，買了一台兩千多元的兒童型顯微鏡，看到細胞的瞬間我真心覺得『太～酷～了～！』
「水田裡、池塘裡、沙子裡任何東西，可以放在顯微鏡上的我全都拿來看。那時候不認識顯微鏡底下的微生物、草履蟲，也還沒有網路，我哥就拿他的國中課本讓我查，或一起去圖書館找資料，漸漸對顯微鏡中的世界感到神奇。我很喜歡用顯微鏡探索未知的事物，這種新鮮感促使我走上研究染色體和 DNA 這條路。」王中茹興奮地回憶。
圖中可以看見玉米染色體的「聯會複合體」結構。
此照片獲得 2009 年 OLYMPUS BioScapes 比賽世界第二名。
顯微鏡攝影│王中茹
第一次看到染色體，是什麼心情？
「第一次看到染色體是大學就讀台大植物系的時候，在遺傳學實驗中觀察洋蔥的根尖細胞。但印象最深刻的是，在研究所細胞遺傳學的實驗中，我們抽了自己的血、養了自己血裡的淋巴細胞，做了自己染色體的核型、排出每一條染色體、觀察染色體的數目和大小，這一切讓我興奮地不得了！」從王中茹的眼中，看見漫畫人物般熊熊燃燒著的火光。
爸爸媽媽在世上能找到彼此已經很不容易，當精子和卵子相遇，才形成「我」。在我的生殖細胞中，他們的染色體還要重新尋找彼此配對，才能傳到我的下一代，這不是很浪漫嗎？
染色體為什麼要在細胞中重新尋找彼此配對？這是生物有性繁殖中最重要的「減數分裂」過程，有減數分裂才能確保爸媽、小孩、孫兒輩都是 23 對染色體，不會生出染色體以倍數成長的子孫。
而在減數分裂過程中，同源染色體會互換一部分 DNA 片段，配對互換的過程可確保正確地將一套染色體傳到細胞中，同時讓爸爸和媽媽給的基因在「我」的生殖細胞透過「天然洗牌」重組，增加更多的遺傳變異性。
這種奧妙的遺傳現象，發生在每一次的減數分裂中，在生物學上極為重要。透過顯微鏡觀察玉米減數分裂如何發生，了解這必要的細胞分裂機制，若能掌握發生的關鍵，就有機會透過控制染色體互換與基因重組，加速育種效率，培育出玉米界的馮迪索抵抗致命氣候，不只強壯也很美味。
圖│研之有物（資料來源│王中茹）
基因會「天然洗牌」的生物那麼多，為什麼特別研究玉米？
王中茹崇拜地指著 Barbara McClintock 的照片說：「我在大三時對於一直死背教科書中已知的知識感到枯燥、迷惘，那時看了《玉米田裡的先知》這本書，受到 Barbara McClintock 啟發。
圖│研之有物
她是細胞遺傳學家，當時的研究技術還沒有現在這麼先進，她透過長期觀察顯微鏡、做遺傳實驗，在 1940 – 1950 年代就發現基因會從染色體的原本位置跳躍到另一處。但當時的科學家無法想像、也無法理解這麼先驅的發現，加上Barbara McClintock 是女性不受重視，實驗室就被迫搬到整棟樓最陰暗的角落，就算到處演講也沒有人在乎。她仍然堅持自己的研究幾十年，直到 1983 年才正式得到諾貝爾獎的肯定。
「這個故事雖然辛酸苦情，卻喚醒我小時候透過顯微鏡，看到微小新世界的那股興奮，因為受到 Barbara McClintock 這位細胞遺傳學家的影響，後來我讀台大植物系碩士班時就找了細胞遺傳學的陳其昌老師，從研究菸草的核型開始，博士班時轉為研究螢光定位標記玉米 DNA 的方法和遺傳圖譜。」
圖│王中茹
「想提高玉米的體質和產量，要從玉米基因組解序下手，了解哪些基因代表玉米的哪些特性。但當年解序時， DNA 片片斷斷位於染色體各處，拼組起來很困難，科學家需要一種方法來分類、指引哪一段 DNA 位於哪一條染色體上，讓研究更好運作。因此我讀博士班時投入大量時間研究『螢光原位雜交 （簡稱 FISH ）』技術如何應用在玉米上，建立染色體圖譜，既可增加了解玉米染色體的組成，也有助克服解序時拼組片段遇到的困難。」王中茹搭配當年的研究照片說明。
C圖：維持 3D 球狀的玉米染色體。將選擇好的 DNA 用會發光的染料標記，發螢光的 DNA 會到染色體上尋找和自己互補的 DNA，這種「螢光原位雜交 （FISH）」技術有助科學家了解染色體。
圖│王中茹
另外一個讓王中茹堅持研究玉米的原因是，玉米的花粉母細胞比阿拉伯芥、酵母菌的大很多，透過超高解析度顯微鏡可以很清楚地看到細胞減數分裂的過程、染色體如何配對互換 DNA 。而玉米雄花穗有上千個花藥，其中的減數分裂細胞在花穗上依序進入減數分裂，這個特性讓我們容易取得大量同步和相鄰階段的細胞，阿拉伯芥、水稻、哺乳類等其他模式物種都沒有這種研究上的便利。
「當玉米的花藥生長到 1 公厘時，1 個花藥中的 600 個細胞會同時進行減數分裂，並且開始 複製、 DNA 打斷、配對、重組、同源染色體分離……等步驟，我們透過流式細胞儀，將上萬個同時進行減數分裂的細胞一顆顆分離出來，以大數據的角度運用蛋白質體學 （Proteomics）、基因組學 （Genomics） 分析，就能從玉米身上發現別的物種無法提供的資訊，例如哪一段區域的 DNA 和別的區域很不一樣，進而找到影響 DNA 打斷的關聯。」像是發現寶藏般驚喜，王中茹強調研究玉米的優勢。
玉米的花粉母細胞不但很大，同時進行減數分裂的細胞更高達上萬個，這是玉米給我們得天獨厚的大數據資料，能發現什麼就靠我們把握。
在本文中透過王中茹的研究生涯 Q & A，一步步認識染色體、DNA、減數分裂與研究玉米的重要性，而王中茹研究團隊發現什麼關鍵，不但增進科學家了解植物的減數分裂，更可能有助解決糧食危機？將於下篇接曉。
