基因组学揭示人工除草促使稗草进化出类似稻米的外观

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研究人员得出结论，人工除草促使稗草进化出类似稻米的外观

自从20世纪80年代在国内学者樊龙江教授读本科时就了解到前苏联植物生物学家尼古拉 · 瓦维洛夫。 瓦维洛夫的科学思想既重要又新颖。浙大农学院的樊龙江教解释说。 即使在20世纪40年代面临死刑判决的时候，瓦维洛夫也拒绝放弃这些想法，因为他在遗传学和遗传方面的研究与约瑟夫 · 斯大林支持的拉马克思主义背道而驰。 1943年，瓦维洛夫在监狱里饿死了。

瓦维洛夫对科学的一个持久贡献是一个被称为作物拟态的概念。 瓦维洛夫根据他对家养燕麦和黑麦以及它们的野生近亲的观察，提出这些作物的祖先是杂草，经过几代人的时间，它们变得类似于家养小麦，因为类似小麦的特性帮助它们避免被农民除草。 瓦维洛夫猜测，只是在这种转变之后，人们才开始有目的地培养和吃掉这些闯入者(杂草)。

瓦维洛夫（Николай Иванович Вавилов ，1887～1943），苏联植物育种学家和遗传学家。研究作物起源的著名学者,，同时也是植物种质资源学科的奠基人。

樊告诉《科学家》杂志，这种由人类驱动的杂草类似于作物的进化从来没有得到证实。 但是最近，随着基因组测序变得越来越快，越来越便宜，樊认为是时候看看是否基因分析明显的模仿杂草会支持瓦维洛夫的想法。

范选择最初的研究重点是一种在中国似乎已经进化出模仿作物特征的杂草: 稗草，稗草生命周期的早期就与水稻的外观非常相似。

稗草

 20世纪80年代早期，多伦多大学植物进化生物学家斯宾塞 · 巴雷特记录了这种模仿行为，他提出，人工除草对稻米品种产生了选择性压力，促使它像稻米一样直立生长，而不是像它的近亲那样沿着地面散开。

樊的研究小组从长江流域的稻田中收集了328份稗草标本，并在田间和温室中播种，以确定它们的幼苗是否具有仿稻表型。

长江流域是中国几个世纪以来水稻种植的中心。 研究人员还对每种植物的基因组进行了排序，并利用这些数据构建了稗草品种的种子遗传树。 研究小组得出结论，拟态品种和非拟态品种在大约1000年前就分道扬镳了，拟态品种的基因组显示了87个被认为控制植物结构的基因的选择证据。 研究人员在他们的论文中指出，这个时间线与中国宋朝时期长江流域的水稻密集栽培相吻合。

研究结果与人类通过手工除草提供的选择压力推动了仿稻品种的进化这一观点相一致。 芝加哥大学进化生物学家 Manyuan Long 说，瓦维洛夫几十年前的预测与数据如此吻合，这是值得注意的。他没有参与这项研究，但为 F1000网站撰写了一篇论文评论。 樊的研究，他说，是“真正了不起的工作。” 和樊龙江教授一样，Manyuan Long也记得上世纪80年代在中国读本科时了解到瓦维洛夫。 “ Vavilov 是我的科学英雄，”他说，尽管他指出，直到他读了 樊龙江教授的论文，他才意识到作物拟态的想法。

图 1 各种稗草在其生命周期的早期(右)呈现出类似稻米的外观，直立生长，而不是像它的近亲(左)那样低矮地生长

樊的合作者，圣路易斯华盛顿大学的植物生物学家肯尼斯 · 奥尔森说，利用现代测序技术重访巴雷特的工作是令人兴奋的。 “在基因水平和基因水平上看到这些结果，在某种程度上确实令人满意，”他说。 他补充说，研究结果与水稻农业的已知历史很好地吻合，但是这项研究无法证实在选择压力下发现的基因确实控制了稗草的水稻样表型。 他的团队现在正在进行后续实验，以更确切地确定模仿者的基因和表型之间的关系。

奥尔森还研究了一种被称为杂草稻的稻米，这是家养稻米的一个分支，它重新采用了一些农民不喜欢的野生植物的特性。 他解释说，像其他杂草一样，杂草水稻是“庄稼地里咄咄逼人的竞争者”。 但与此同时，它们实际上并不是野生物种，而是真正适应了我们创造的这些农业环境。” 他解释说，这样的系统可以洞察控制特定性状的基因在真正的野生稻和有反叛倾向的驯化稻之间是否存在差异。 他说: “这是一个非常有趣的现象，这些杂草物种正在利用作物生长环境。”。

随着 Olsen 对稗草遗传学的进一步研究，Fan 计划将他们最近的研究成果应用于其他物种。 他的心思仍然放在瓦维洛夫身上，范希望利用黑麦和燕麦的基因组测序，看看它们的系统发育是否表明它们是基于小麦的拟态而被选择的。

事实上，稗草研究“增加了一种动力，去追踪和研究其他一些已经被很好记录的表型性病例，但不是在基因组水平，”伊丽莎白 · 凯洛格说，她是圣路易斯唐纳德 · 丹福斯植物科学中心的植物遗传学家，与奥尔森合作，但没有参与这项新研究。 “也就是说，我们不知道哪些特定的基因被选中，我认为现在很明显有机会去研究这些特定的基因。”

作者：Shawna Williams 肖娜 · 威廉姆斯

图片来源：the-scientist网站及百度图片。

参考：

https://www.the-scientist.com/notebook/genomics-reveals-how-humans-can-inadvertently-drive-plant-mimicry-67165

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