水稻在世界各稻区均存在返祖现象 是什么让栽培水稻变“野”了

栽培水稻发生返祖现象后会呈现出籽实变小、红皮的特征,经过环境适应进化,种子一成熟即散落田间,之后与栽培水稻伴生。这种山寨版的水稻被称为杂草稻,由于其遗传背景与栽培稻极其相似,因此除草剂难以根除,严重影响水稻生产。

不久前,由浙江大学农业与生物技术学院樊龙江教授领衔的国际研究团队,通过对从涵盖各大洲16个主要水稻生产国稻区抽取的524份杂草稻样本进行研究,发现水稻在世界各稻区均存在返祖现象。

水稻返祖现象源于繁衍之需

返祖现象也称野化或去驯化,是生物界经常发生的一个遗传现象,指栽培作物和家养牲畜等从人工环境回归自然环境,恢复野生特征。

研究团队通过基因组重测序,并结合已有当地栽培稻和野生稻基因组数据资源,在对样本群体遗传学分析后发现,全球稻区发生的杂草稻都来自栽培稻,而且这个去驯化过程是一个持续的过程。

一般认为,水稻的起源历程,从野生经过驯化与现代遗传育种改良便结束了。因此有科学家认为杂草稻与栽培稻只是“近亲”,没有直接的血缘关系。但研究团队的这项最新研究使人类对作物发展的历史认知又向前推进了。

樊龙江表示,每年收割水稻时都会有种子落粒,田里种子数量越多,进化出杂草稻的概率越大。因此,减少田间种子遗留的库容,是减少杂草稻的重要手段。

为什么进化中会出现返祖现象?研究结果表明,这是适者生存的自然选择。随着人们对水稻高产的不断改良,谷粒变大且不易脱落的水稻便于收割增产提效。这一改良虽满足了人类需求,却改变了水稻的生存法则,使其原有的繁衍生存机制被破坏。

“水稻的落粒特征,即种子成熟后回归土壤,是其繁衍生存的关键,是其在自然界生存最重要的机制。同时将种子变小,也是为了便于传播生长。”樊龙江解释道。

凭借杂交优势和栽培稻“较劲”

据了解,杂草稻在我国大面积存在,特别在江苏、广东、辽宁和宁夏等地,杂草稻已成为除稗草外影响我国稻田最严重的杂草。

已有科学研究表明,杂草稻在有限的空间中与栽培稻开展竞争,争水分、争光照、争养料。杂草稻实力强劲的很大一部分原因,与其杂交起家的遗传背景有关。

在这次调查中,科研人员发现全球特别是在南美稻区,有大量杂交起源的杂草稻,它们或是杂草稻之间或是杂草稻与栽培稻之间杂交形成。这种杂交,导致杂草稻同样获得了除草剂的抗性等。

难以除净杂草稻的另一个原因就是从外形上很难将其与水稻区别开来。此外,在苗期杂草稻就与栽培稻“较劲”,抽穗之后还会率先成熟。

樊龙江认为,水稻通过稻苗移栽能够很好地防控杂草稻。育秧让水稻苗已经长得很大,这样一来杂草稻不容易赶上新插的秧。“现在水稻种植大多采用直接播种,省时省力。缺点就在于给了杂草稻与栽培稻一起发芽的机会,相同的‘起跑线’是导致杂草稻越来越多的原因之一。”

古老基因启发新型水稻育种

杂草稻的危害性还来自其休眠特征——它在一定条件下能够度过田间冬季的严酷环境,直到稻季才发芽。

“这样年复一年的结果就是杂草稻越来越多,终成大害。”樊龙江说,水稻长,它就长。“如果一块地闲置两年重新种植水稻,杂草稻又会‘复活’。”

栽培稻从野生稻驯化而来,是人类对其基因的重新选择。而在去驯化的过程中,杂草稻发生了新的基因突变。研究人员对基因组选择信号分析发现,野化选择的区域与驯化选择的区域重叠率很低。

研究团队发现全球不同地区杂草稻存在一个共同的强烈基因组分化区域,即7号染色体一个0.5Mb区间。

该区域包括与种子休眠、抗性相关的基因等,对杂草稻的环境适应性非常重要。此外,休眠性相关基因经历平行进化,在粳型杂草稻和栽培稻间分化明显,可能在不同杂草稻群体野化过程中扮演重要角色。

研究团队希望将杂草稻“发芽率高长势强”的优点应用到水稻育种当中,通过提高自然适应能力,为增产增收开辟新的思路。上述研究成果已发表于学术期刊《基因组生物学》。

(洪恒飞 柯溢能 本报记者 江 耘)

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