科學封面

科學封面(第39期)丨除不盡的雜草:我進化千年,越來越有“稻”樣

編輯:葉鑫 來源:校學術委員會 時間:2019年09月17日 訪問次數:684  源地址


稗草(Echinochloa crus-galli )是田間頭號雜草,為了除掉它,人類已經努力了幾千年。浙江大學農業生物與技術學院樊龍江教授團隊與中國水稻所等單位合作研究最新發現,為了避免人類的“驅逐”,田間的稗草們竟學會了“偽裝”。幾千年來,它們與水稻越長越像,從原來松垮貼地的懶樣子,進化出了今天亭亭玉立的模樣。

 

“人類行為加速了稗草的進化,無意中產生了類似馴化的選擇效應。”樊龍江說。相對于動物擬態,科學界對于作物擬態尚無定論,樊龍江團隊第一次從基因組學研究角度證實了作物擬態的存在。相關論文9月16日發表于《自然·生態與進化》雜志。



田間“模仿秀”



在稻田中,稗草居15種惡性雜草之首,是農民噴施除草劑最主要的目標“如果不用除草劑,農民都不知道怎么種地了。”坊間這種略帶夸張的說法,真實反映著除草的艱難,也從側面反映了稗草的成功。從親緣關系看,稗草與小麥、玉米的關系更近,卻與水稻越長越像,越走越近了。

 

研究人員從在我國長江流域收集稻田及周邊采集到的328份稗草進行了研究。從外形上看,水田的稗草與旱地稗草有著明顯差異:旱地稗草“長相”比較隨機,大多數稗草趴地橫長,莖基部呈現紅色,完全不像水稻。而田間稗草就很有“稻”樣,特別是在苗期,它們有模有樣的收起了分蘗(讀作niè)和葉子的夾角,和水稻一樣向上生長。這種“偽裝”術變得讓人類難以識別。

 

第一個注意到這種現象的是前蘇聯著名植物學家瓦維諾夫。上世紀30年代,他從進化角度提出一個觀點:農田雜草與作物相像是雜草擬態作物形態的結果,是雜草適應性進化的產物,目的為了躲避農民拔除。由于缺乏實驗證據,學術界對這一觀點一直存在爭議。


圖:田間不同姿態的稗草

 


“我們對這328份樣本進行了基因組重測序,希望從基因水平去考證這是否真的存在作物擬態。”樊龍江說。



被人類逼出“稻”樣


樊龍江介紹,通過全基因組遺傳變異分析,發現328份稗草材料可明顯以分為3個組,擬態組、非擬態組及中間類型。與非擬態稗草組相比,擬態稗草的遺傳多態性降低,經歷了遺傳瓶頸效應。“這表明稗草在擬態過程中受到了定向選擇。”樊龍江說。



“稗草擬態水稻是被迫的。”樊龍江介紹,團隊通過群體進化分析表明,長江流域擬態稗草起源于非擬態稗草,并且是一次起源,大約發生在1000年前后。“這個時期處于我國宋朝,正處在人口激增、南方水稻替代麥類作物成為主糧的轉型時期。可能正是在那一時期,人們開始實施水稻的精耕細作,拔除田間雜草。我們可以從宋朝農書和詩詞中找到一些證據:比如朱熹《勸農書》中記載“禾苗既長, 稗草亦生, 須是放干田水, 仔細辨認, 逐一拔出, 踏在泥里, 以培禾根”;方回詩詞中則有“農田插秧秧綠時,稻中有稗農未知。稻苗欲秀稗先出,拔稗飼牛唯恐遲”。


左邊為水稻幼苗;中間和右邊為稗草幼苗


稗草經歷了上千年來自人類的選擇壓,快速進化。那些讓稗草長得更像水稻的基因,讓稗草逃過人類的拔除,繼續在稻田里享受著和水稻一樣的待遇,那些基因也因為人類的選擇壓力得以保留下來。也就是說,是人類的除草行為,無意識地刺激了稗草們的生存技能。比如一個叫“LAZY1”的基因,這是一個植物感知并響應重力的關鍵基因,可以調控作物的分蘗角度。研究發現,在有擬態現象的稗草中,相關同源基因多態性降低,出現了高度一致,顯示出被進化選擇的痕跡。


該項研究首次解析了植物擬態進化分子機制,在進化生物學上具有重要意義。此外,研究結果解析農田雜草起源與控制、株型相關基因挖掘與利用等方面也提供給了研究線索。


樊龍江教授課題組多年來一直從事水稻與稻田雜草(如雜草稻和稗草)競爭分子機制及其育種利用研究。2017年,該課題組首次完成了稻田優勢稗草種E. crus-galli基因組測序及組裝,揭示了稗草與水稻環境適應的化感互作分子機制。本研究是上述研究的延續,進一步揭示了稗草另外一個重要環境適應機制——擬態的分子遺傳基礎。



圖:寧夏銀川地區水稻田里的稗草


論文第一作者分別為浙大葉楚玉副教授、中國水稻所唐偉副研究員和浙大博士生吳東亞,樊龍江教授為通訊作者。中國水稻研究所陸永良研究員、中科院遺傳所王永紅研究員、美國華盛頓大學Kennth Olsen教授和弗吉尼亞大學MichealTimko教授共同參與了上述研究。該研究獲得了國家和浙江省自然科學基金的資助。


(科學撰稿人  周煒)





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