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栽培稻“返祖”,有弊有利

發布時間:2020-04-21來源:中國科學報作者:崔雪芹 柯溢能45

返祖現象也稱野化或去馴化,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,是生物界經常發生的一種遺傳現象。

就栽培水稻而言,去馴化后成為雜草稻。這種水稻作為稻田惡性雜草,嚴重影響水稻生產,被稱為“鬼稻”。

經過3年多努力,浙江大學農業與生物技術學院教授樊龍江領導的國際研究團隊,對來自16個主要水稻生產國的稻區進行了抽樣調查。在對524份雜草稻的研究中,他們發現,水稻在世界各稻區均存在去馴化現象。

來自中國、美國、巴西等國內外12個研究團隊參與了該研究,相關成果近日在線發表于《基因組生物學》。這項調查對水稻進化、資源利用和雜草稻防控具有重要意義。

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,研究人員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,水稻的進化歷程,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。但這項最新研究讓作物發展的歷史又向前延伸了一段。

研究表明,返祖現象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。”論文第一作者邱杰解釋。

雜草稻的極強競爭力

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,已成為我國稻田除稗草外最嚴重的雜草。

雜草稻隨耕作生長季節與栽培稻伴生。此前研究表明,雜草稻在有限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。

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而成。這種雜交導致雜草稻同樣獲得了除草劑抗性等。科研人員建議,要盡可能防止不同水稻品種間的串粉,通過加強育種過程管控來減少雜草稻的出現。

難以除凈雜草稻的另一個原因是,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。邱杰認為,水稻通過稻苗移栽能夠很好地防控雜草稻。

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其休眠特征,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。樊龍江說,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發揮重要作用。

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。


《中國科學報》2020年4月21日03版


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