玉米的身世

2014-09-28 | 作者: 孙滔 | 标签: 玉米的身世

 
考古学者发现的玉米样本,自古至今它们有着惊人的相似。图© Robert S. Peabody Museum of Archaeology

大刍草(右)种子有坚硬的外壳,颗粒也少。图utah.edu
 
提要:进化不仅可以是缓慢渐进的,还可以因为某个基因微小变化而产生迅速剧变。玉米便是此中典型案例。

1492年哥伦布在美洲发现印第安人以玉米为食物,于是将其带回欧洲, 随后传播种植到世界各地。中国则在明代将玉米引进。

玉米是一种驯化作物。与小麦、水稻有明显的野生近缘种不同,人们很难找到果实颗粒分排密布在玉米轴上的野生品种。

玉米的起源有多种说法,目前认可较多的一种说法是,其祖宗是墨西哥的大刍草,又称为类蜀黍。其植株形态和果实形态均与现代玉米有较大出入。

大约一万年前,在墨西哥区域居住的古代农民开始选育玉米,他们选择了其中或较大的,或味道较好的,或更容易磨碎的种子来播种。最终玉米棒变得更大,颗粒更多,成为现代玉米的模样。现今玉米的无稃(果实硬壳)以及果穗外包厚厚苞叶便是人们长期选育的结果。

通过遗传学分析,大刍草的果实与玉米有着相同数目的染色体和类似的基因序列。事实上,大刍草与现代玉米可以杂交,自然繁殖为新的品种。

但这就引发在进化上一个巨大难题。因为人们普遍认为进化始终是缓慢而渐进的,缘何玉米会突然出现在大刍草的进化舞台上?这难倒了科学家。

人们最终推倒了原来的进化认识,转而倾向于认为在玉米驯化最早的时候,单个基因的微小变化而产生了戏剧性结果。

科学家想弄清楚两者杂交的历史过程,以便了解其DNA水平的变化详情。如今结合遗传学研究和考古记录,人们已经拼凑出玉米演化的故事。

大刍草中的tga1基因使得其籽粒被较长的坚硬稃壳包裹,而玉米中的tga1则使得玉米颗粒无壳且柔软。科学家将玉米的tga1基因转移到大刍草后,发现其外壳变小且转变为半包裹状态,而两者tga1基因之间仅一个核苷酸的差异。

另外一个重要基因则是tb1,与玉米分蘖有关。这个基因在大刍草中被抑制,结果产生许多分蘖,而在玉米中表达更多,结果则是无分蘖或少分蘖。一个依据是,科学家将大刍草的tb1转移到玉米中,导致玉米的分蘖陡增。

玉米具有分蘖的特点,但分蘖会会消耗自身营养,减弱主茎的生长发育,分蘖一般难以发育成果穗,从而影响最终产量。因此大刍草在人类长期栽培驯化后变得无分蘖或少分蘖。
 
大刍草和玉米的分蘖区别在于tb1基因。图utah.edu

这正说明,某个基因的微小变化可以产生剧变,这也就也解释了玉米为何会突然出现。也就是说,进化并不总是渐变的。

当然,玉米进化会涉及许多基因,只是其基因效应相对较弱。如淀粉类型和含量,不同气候和土壤的适应能力,果实颗粒的长度和数量,颗粒的大小、性状和颜色,抗虫性等等,这些变化正应传统进化论的看法:进化是渐进缓慢的。

选育还不止如此,野生植物的驯化并非易事。已有实验证明,从墨西哥类蜀黍到玉米要经历不到20代植物的驯化。

野生谷物为了更大范围传播其种子以求较高存活性,其种子成熟时便自动脱落。但这个植物天生的求生本能却导致农民不能充分收获种子,只有这些种子留在穗上等到所有种子成熟方能充分收获。要成为粮食作物,这些野生谷物便要减弱其落粒性,我们的祖先一直在驯化谷物的低落粒性。人们在采集的时候倾向于采集那些不易于脱落的种子,这种无意识的选择驯化的长期结果便是产生不落粒品种。

另外,与其它多数作物不同,玉米被人类驯化得失去了自然繁衍的能力,必须靠人为手段才能得以繁衍。

研究还显示,作物驯化并非快速、本地化的过程,而可能是在不同区域进行很长时期的不断试错过程。

当然,到现在玉米育种早已不再是自然杂交产生的选育。作为高新农业育种技术,转基因玉米已经有抗虫、抗除草剂、抗旱、转植酸酶玉米等多个品种,而复合性状转基因玉米更是大受农民欢迎,并且已经有育种公司推广了8个基因转移的玉米。

来源:基因农业网

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