浙大专家证实作物也会“伪装”:田间杂草和水稻越长越像

2019-11-05 18:05:05
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稗草是田里的头号杂草。为了摆脱它,人类已经尝试了几千年。浙江大学农业生物技术学院和中国水稻研究所的范龙江教授的团队共同研究了最新的发现。为了避免人类的“驱逐”,田野里的稗草已经学会了“伪装”。几千年来,它们长得像米一样越长,今天看起来就越优雅,从松散和粘在地上的懒散外表演变而来。

"人类行为加速了稗草的进化,无意中产生了类似驯化的选择效应."范龙江说道。与动物模仿相比,科学界对作物模仿还没有明确的结论。粉龙江团队首次从基因组学研究的角度证实了作物拟态的存在。相关论文发表在9月16日的《自然生态与进化》杂志上。

水稻幼苗在左边,稗草幼苗在中间和右边。

田野里的“模仿秀”

在稻田中,稗草在15种恶性杂草中排名第一。稗草更接近小麦和玉米,但在进化中它更像大米,也更接近。

研究人员研究了从中国长江流域稻田及其周边地区采集的328株稗草。从外观上看,稻田稗草和旱地稗草有明显的区别:旱地稗草生长更加随意,大部分稗草在地上水平生长,茎基部为红色,完全不同于水稻。另一方面,田里的稗草非常像“水稻”,尤其是在苗期。它们以一种模式折叠分蘖和叶片之间的角度,像水稻一样向上生长。这种“伪装”技术已经变得人类难以识别。

第一个注意到这一现象的人是前苏联著名的植物学家瓦维诺夫。20世纪30年代,他从进化的角度提出了一种观点:农田杂草与作物的相似性是杂草模仿作物形态的结果,是杂草适应性进化的产物,以避免被农民清除。由于缺乏实验证据,学术界对这一观点一直存在争议。

“我们已经对这328个样本的基因组进行了重新测序,希望能验证在基因水平上是否真的存在作物模仿现象。”范龙江说道。

宁夏银川地区稻田稗草

被人类挤出“大米”

范龙江介绍说,通过全基因组遗传变异分析,328份稗草材料可明显分为3组,拟似组、非拟似组和中间型。与非模拟稗草组相比,模拟稗草的遗传多态性降低,并出现遗传瓶颈效应。"这表明稗草在拟态过程中是定向选择的."范龙江说道。

"稗草拟态水稻是被迫的."范龙江表示,该团队对种群进化的分析表明,拟态稗草起源于长江流域的非拟态稗草,是发生在1000年前的主要来源。“这一时期是中国的宋代,也是人口激增和南方水稻取代小麦作物成为主要粮食的过渡时期。也许是在那个时期,人们开始在地里实施精耕细作和除草。我们可以从宋代的农业书籍和诗歌中找到一些证据。例如,朱Xi的《倡导农书》记载“幼苗长得和稗草长得一样好”。它必须被排干,仔细辨认,一个接一个地拔出,然后踩在泥里培育作物的根”。在方辉的诗中,有这样一句话,“当田地移植的幼苗变绿时,稗草的农民在稻田里是默默无闻的。“稻秧要先展示稗草,然后拔掉稗草喂牛,以免为时已晚”。

棘球绦虫经历了人类数千年的选择压力,进化迅速。使稗草长得更像水稻的基因防止稗草被人类连根拔起,并继续享有与稻田水稻相同的待遇。由于人类的选择压力,这些基因也被保存了下来。换句话说,是人类除草无意识地刺激了稗草的生存技能。例如,一种叫做“lazy1”的基因,它是植物感知和响应重力的关键基因,可以调节作物的分蘖角度。研究发现,稗草中具有拟态性的相关同源基因多态性减少,且高度一致,显示出进化选择的痕迹。

本研究首次分析了植物拟态进化的分子机制,在进化生物学中具有重要意义。此外,农田杂草的起源和防治分析以及植物类型相关基因的挖掘和利用也为研究提供了线索。

范龙江教授的研究小组多年来一直从事水稻与稻田杂草(如杂草稻和稗草)竞争的分子机制及其育种和利用的研究。2017年,研究组首次完成了稻田优势稗草种鸡脚草(e . cru-galli)的基因组测序和组装,揭示了稗草与水稻环境适应的化感互作分子机制。本研究是上述研究的延续,进一步揭示了稗草的另一个重要环境适应机制——拟态的分子遗传基础。


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