玉米的身世更新了:原來(lái)它有兩個(gè)“祖先”
來(lái)源:科普中國(guó)
發(fā)布時(shí)間:2024-02-23
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我們平時(shí)吃的糧食作物,都有其野生來(lái)處,不過(guò)想要找到它們,并不總是那么簡(jiǎn)單。比如玉米。直到21世紀(jì)的頭幾年,玉米的身世,仍然是個(gè)謎題。

最大的問(wèn)題在于,在之前的幾百年時(shí)間里,人類(lèi)都沒(méi)有在野外找到玉米的野生祖先。雖然,大家都認(rèn)為中南美洲是玉米的起源地,但是,在科學(xué)家把這個(gè)地方的植物類(lèi)群翻個(gè)底朝天之后,愣是沒(méi)有找到一個(gè)長(zhǎng)相與玉米一樣的野生物種。

玉米這種作物,仿佛就是石頭縫里蹦出來(lái)的孫猴子。事情真的是這樣嗎?

人類(lèi)栽培玉米的歷史相當(dāng)悠久,在史前時(shí)期,中南美洲的印第安人就開(kāi)始種植和食用玉米了。毫不夸張地說(shuō),正是玉米這種植物撐起了南美洲的人類(lèi)文明。在瑪雅人的文化中,玉米神是非常重要的神明。玉米之于南美人,就像水稻之于東亞人,小麥之于西亞和歐洲人一樣重要。

隨著哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸,玉米的足跡也開(kāi)始伸展到世界各地,逐漸成為不同人群的主食。到今天,玉米更是現(xiàn)代食品工業(yè)不可缺少的重要原料,玉米淀粉和玉米糖漿在食品工業(yè)中的出場(chǎng)頻率,堪比夜空中月亮的出場(chǎng)頻率。

正因?yàn)楹陀衩兹绱酥匾?,所以,尋找玉米祖先的工作從?lái)就沒(méi)有停止過(guò)。找來(lái)找去,科學(xué)家把目光聚焦在了一種叫大芻草的植物身上。

如果以今天糧食作物的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看大芻草,那它們是一點(diǎn)可取之處都沒(méi)有——作為玉米的祖先,一棵類(lèi)蜀黍上有很多分枝條,每個(gè)分枝條上都有一些細(xì)瘦的穗子(就像我們今天看到的狗尾草),穗子上只有聊聊數(shù)個(gè)果粒,更要命的是每個(gè)果粒都被一個(gè)硬殼包裹著。

毫無(wú)疑問(wèn),這些性狀都是符合達(dá)爾文自然選擇理論的,很多保護(hù)穩(wěn)妥的種子會(huì)帶來(lái)更多后代,讓類(lèi)蜀黍更好地繁衍生息。但是,看到這個(gè)模樣的類(lèi)蜀黍,無(wú)論是誰(shuí)也想象不到人類(lèi)祖先會(huì)花力氣去啃這些費(fèi)牙的野草,更不用說(shuō)把他們當(dāng)作寶貝種在農(nóng)田里面了。

大芻草變玉米,取決于兩個(gè)關(guān)鍵基因的改變。

第一個(gè)突變發(fā)生在第1號(hào)染色體上TB1基因發(fā)生突變,結(jié)果就是突變體不再產(chǎn)生分枝條,而是只有一根直立的莖干,這樣就可以把更多營(yíng)養(yǎng)投入籽粒生產(chǎn)中去,產(chǎn)生更多可食用的飽滿(mǎn)的玉米粒;

更關(guān)鍵的是第二個(gè)突變,在第4號(hào)染色上一個(gè)名為T(mén)GA1基因發(fā)生突變,這個(gè)突變導(dǎo)致硬殼消失了,突變體的食用性大大提升了,人類(lèi)再也不用想辦法對(duì)付那個(gè)大大的硬殼了。

那么玉米祖先的基因?yàn)樯毒陀腥绱饲珊系耐蛔?,偏偏就變成人?lèi)喜歡的樣子呢?

這就要說(shuō)到玉米當(dāng)中一些特殊的基因,跳躍基因了。

在20世紀(jì)40年代之前,遺傳學(xué)界有一個(gè)共識(shí),那就是生物的DNA序列是恒定的,簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是基因在染色體上的位置是一成不變的。但是,一位叫芭芭拉·麥克林托克的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象,在雜交試驗(yàn)中,有一些基因會(huì)改變自己在染色體上的位置,就像是在基因組上跳來(lái)跳去一樣。

這種跳躍還會(huì)影響玉米籽粒的顏色。當(dāng)特殊的基因“Dissociator”(Ds)發(fā)生“跳躍”的時(shí)候,玉米籽粒中合成花青素的基因就會(huì)打開(kāi),這些玉米籽粒就會(huì)變成彩色狀態(tài),而且基因是否會(huì)發(fā)生跳躍還會(huì)受到其他基因比如“Activator”(Ac)的控制。

麥克林托克利用轉(zhuǎn)座理論完美解釋了玉米親代和子代間某些基因的開(kāi)啟和關(guān)閉。1983年,麥克林托克因跳躍基因研究獲得諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng),可以說(shuō)實(shí)至名歸。

2009年,全新的玉米基因組測(cè)序結(jié)果出爐,令人吃驚的是玉米基因組中有85%的序列都屬于麥克林托克發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座子,這也就解釋了為什么野生的玉米祖先(類(lèi)蜀黍)為什么會(huì)有那些匪夷所思的變化,畢竟抽獎(jiǎng)的次數(shù)多了,總會(huì)有撞大運(yùn)的時(shí)刻。

到今天,大芻草變玉米的故事已經(jīng)越來(lái)越清晰地展現(xiàn)在我們面前。不過(guò),故事還沒(méi)有結(jié)束,玉米的祖先究竟是單一的,還是多元的呢?

之前學(xué)界認(rèn)為小穎大芻草亞種是玉米的唯一祖先。但是問(wèn)題出現(xiàn)了,這種植物主要生長(zhǎng)在墨西哥西南部低海拔地區(qū),并不適應(yīng)高海拔環(huán)境。但有考古證據(jù)表明,玉米早在6200多年前就已適應(yīng)了高海拔環(huán)境。

此時(shí),另外一種叫墨西哥高原大芻草的亞種進(jìn)入了研究人員的視野,這個(gè)物種主要生長(zhǎng)在墨西哥中部高海拔地區(qū)。

2023年12月,在《科學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究中,華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的嚴(yán)建兵教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì),分析了超過(guò)1000份大芻草和現(xiàn)代玉米,以及9份來(lái)自北美洲和南美洲的古玉米基因組數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),玉米當(dāng)中有墨西哥高原大芻草亞種基因滲透的情況。

在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)鑒定了每份材料中墨西哥高原大芻草亞種基因滲透片段的比例,發(fā)現(xiàn)平均每份現(xiàn)代玉米中有約18%的基因組來(lái)自墨西哥高原大芻草亞種基因組的滲透,證明了墨西哥高原大芻草亞種為現(xiàn)代玉米的第二“祖先”。

所以,人類(lèi)馴化玉米的故事又有了新篇章。初始馴化玉米單起源于墨西哥西南部低海拔地區(qū),后來(lái)在人類(lèi)活動(dòng)影響下進(jìn)行了第一次擴(kuò)散。6000多年前,初始馴化玉米在墨西哥中部高海拔地區(qū)與墨西哥高原大芻草亞種偶然發(fā)生了一次雜交,幫助玉米適應(yīng)了高海拔環(huán)境。

這份雜交古玉米作為現(xiàn)代玉米擴(kuò)散的新起點(diǎn),在美洲進(jìn)行了第二次馴化和擴(kuò)散,并逐漸替代了第一次擴(kuò)散留下的古玉米,成為現(xiàn)代玉米的“祖先”。

你要問(wèn),了解這個(gè)起源過(guò)程有啥用,這對(duì)于我們?cè)谖磥?lái)篩選更優(yōu)良的玉米品種,提供了新的思路和雜交材料選擇。并且對(duì)于我們理解人類(lèi)的農(nóng)業(yè)歷史,也具有非常重要的意義。

我們平時(shí)吃的糧食作物,都有其野生來(lái)處,不過(guò)想要找到它們,并不總是那么簡(jiǎn)單。比如玉米。直到21世紀(jì)的頭幾年,玉米的身世,仍然是個(gè)謎題。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者:史軍 中科院植物學(xué)博士

審核:楊來(lái)勝 蘭州農(nóng)科院研究員

出品:中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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