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            全球調查顯示:栽培水稻“返祖”現象普遍存在

            發布時間:2020-04-17來源:浙大新聞辦作者:柯溢能0

            返祖現象也稱野化或去馴化,是生物界經常發生的一個遺傳現象,指栽培作物和家養牲畜等從人工環境回歸自然環境,恢復野生特征。

            就栽培水稻而言,去馴化后成為雜草稻。雜草稻呈現出子實變小、紅皮的特征,經過環境適應進化具有落粒特征,種子成熟即散落田間,之后與水稻耕作生長季節與栽培稻伴生。這種“山寨版”的水稻作為稻田惡性雜草,嚴重影響水稻生產,被形象的稱為“鬼稻”。

            經過三年多的努力,浙江大學農業與生物技術學院樊龍江教授領導的國際研究團隊,對涵蓋各大洲來自16個主要水稻生產國的稻區都進行了抽樣,在對524份雜草稻的研究中發現水稻在世界各稻區均存在去馴化現象。這項調查也對水稻進化、資源利用和雜草稻防控具有重要的意義。

            相關研究成果近日在線發表在開放獲取期刊《基因組生物學》(Genome Biology)上。

            全球稻區雜草稻材料采集地區和數量分布


            返祖現象是進化的必然

            通過基因組重測序,并結合已有當地栽培稻和野生稻基因組數據資源,在對樣本群體遺傳學分析后發現,全球稻區發生的雜草稻都來自栽培稻,而且這個去馴化過程是一個持續的過程。

            一般認為,水稻的起源歷程,從野生經過馴化,以及現代遺傳育種改良便結束了。因此有的科學家認為雜草稻與栽培稻只是“近親”,沒有直接的血緣關系。但中外學者的這項最新研究把人類對作物發展的歷史又向前延伸了一段。

            人們對作物回歸野生狀態的認識,對于防控雜草稻有積極的作用。”樊龍江表示,每年收割水稻時都會有種子落粒,田里種子數量越多,進化出雜草稻的概率越大。因此,減少田間種子遺留的庫容,是減少雜草稻的重要手段。

            為什么進化中會出現返祖現象?

            研究結果表明,這是適者生存的自然選擇。隨著人們對水稻高產的不斷改良,谷粒變大且不易脫落,這樣一來便于收割增產提效。但這一改良滿足了人類需求卻改變了水稻的生存法則——原有的繁衍生存機制被破壞。

            因此,雜草稻需要不斷適應新的變化,讓自己生存下來。“落粒是種子回歸土壤實現繁衍的關鍵一步,是在自然界生存最重要的機制。同時將種子變小,也是為了便于傳播生長。”樊龍江解釋。

            為了自身物種的繁衍,趨向于野生特征,是不可抗拒的大趨勢。這也就是為何雜草稻恢復脫落生長的重要原因。

            去馴化是作物不可避免的進化機制。”樊龍江介紹,這一過程在各地歷史上持續多次發生,甚至有些發生在綠色革命(即矮化育種)之后。

            亞洲雜草稻群體來源于若干主要栽培稻品種(founder)。右圖包括其中一個起源品種——“南京11”的選育系譜(上)及其與27份雜草稻材料(分別來自江蘇、浙江和廣州)的系統發育關系(下)


            雜草稻的危害來源于極強的競爭力

            雜草稻在我國大面積發生,特別在江蘇、廣東、遼寧和寧夏等地,雜草稻成為我國稻田除稗草外,最嚴重的雜草。

            究其原因是雜草稻隨水稻耕作生長季節與栽培稻伴生。此前的研究已經表明,雜草稻在有限的空間中與栽培稻開展競爭,比如爭水分、爭光照、爭養料。由于其遺傳背景與栽培稻極其相似,除草劑難以根除,給水稻生產帶來極大影響。

            雜草稻為何能這般神出鬼沒?

            這很大一部分原因,要從其雜交起家的遺傳背景說起。

            在這次調查中,科研人員發現全球特別是在南美稻區,有大量雜交起源的雜草稻,它們或是雜草稻之間或是雜草稻與栽培稻之間雜交。這種雜交,導致雜草稻同樣獲得了除草劑的抗性等。科研人員建議,要盡可能防止不同水稻品種間的串粉,加強對育種過程的管控來減少雜草稻的出現。

            難以除凈雜草稻的另一個原因就是從外形上很難區別,在苗期雜草稻就與栽培稻“較勁”,抽穗之后還會率先成熟。

            樊龍江認為,水稻通過稻苗移栽能夠很好的防控雜草稻。育秧讓水稻苗已經長得很大,這樣一來雜草稻不容易趕上新插的秧。“現在水稻種植大多采用直播,省時省力。缺點就在于給了雜草稻與栽培稻一起發芽的機會,相同的‘起跑線’,這也就是為什么雜草稻越來越多的原因之一。”


            在危機中找到未來水稻育種的機遇

            雜草稻的危害性還來自于休眠特征,也就是說在一定條件下能夠度過田間冬季的嚴酷環境,直到稻季才發芽。

            這樣年復一年的結果就是雜草稻越來越多,終成大害。樊龍江介紹:水稻長,它就長。“如果一塊地閑置兩年重新種植水稻,雜草稻又會‘復活’。”

            這種能力來自于從休眠中“覺醒”的種子及其強勁的發芽勢。科學家們很希望將這種“發芽率高長勢強”的優點應用到水稻育種當中,通過提高自然適應能力,為增產增收開辟新的思路。

            研究發現全球不同地區雜草稻存在一個共同的強烈基因組分化區域,即7號染色體一個0.5Mb區間。該區域包括與種子休眠、抗性相關基因等,對雜草稻環境適應非常重要。此外,休眠性相關基因經歷平行進化,在粳型雜草稻和栽培稻間分化明顯,可能在不同雜草稻群體野化過程中扮演重要作用。

            化危機為轉機,中外科學家在對雜草稻的研究中不斷尋覓新的育種方向。

            栽培稻從野生稻馴化過來,是人類對其基因的重新選擇。而去馴化過程,雜草稻發生了新的基因突變。在基因組選擇信號分析發現,野化選擇的區域與馴化選擇的區域重疊率很低。

            舉個最典型的落粒的例子。人工選擇水稻的基因靶點是sh4,但在對雜草稻的分析中,這個位點雜草稻并沒有發生變化,但它卻又恢復了落粒。“這也就是說明作物野化過程中的環境適應,其進化的機制不一樣。”

            浙江大學農業與生物技術學院邱杰博士(現任教上海師范大學)、博士生賈磊和吳東亞為該論文共同第一作者,樊龍江教授和美國華盛頓大學Kenneth Olsen教授為通訊作者。來自中國、美國、巴西、意大利、日本、澳大利亞、馬來西亞、菲律賓等國內外12個研究團隊參與了該研究。

            (文 柯溢能/圖片由課題組提供)

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