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栽培稻“返祖”,有弊有利
来源:中国科学报 发布时间:2020-04-22

返祖现象也称野化或去驯化,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,是生物界经常发生的一种遗传现象。

就栽培水稻而言,去驯化后成为杂草稻。这种水稻作为稻田恶性杂草,严重影响水稻生产,被称为“鬼稻”。

经过3年多努力,浙江大学农业与生物技术学院教授樊龙江领导的国际研究团队,对来自16个主要水稻生产国的稻区进行了抽样调查。在对524份杂草稻的研究中,他们发现,水稻在世界各稻区均存在去驯化现象。

来自中国、美国、巴西等国内外12个研究团队参与了该研究,相关成果近日在线发表于《基因组生物学》。这项调查对水稻进化、资源利用和杂草稻防控具有重要意义。

返祖现象是进化的必然

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,研究人员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,水稻的进化历程,从野生经过驯化以及现代遗传育种改良便结束了。因此有的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。但这项最新研究让作物发展的历史又向前延伸了一段。

研究表明,返祖现象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,这样一来便于收割增产提效。但这一改良满足了人类需求却改变了水稻的生存法则——原有的繁衍生存机制被破坏。

因此,杂草稻需要不断适应新的变化,让自己生存下来。“落粒是种子回归土壤实现繁衍的关键一步,是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。”论文第一作者邱杰解释。

杂草稻的极强竞争力

杂草稻在我国大面积发生,特别在江苏、广东、辽宁和宁夏等地,已成为我国稻田除稗草外最严重的杂草。

杂草稻随耕作生长季节与栽培稻伴生。此前研究表明,杂草稻在有限空间中与栽培稻开展竞争,比如争水分、争光照、争养料。由于其遗传背景与栽培稻极其相似,除草剂难以根除,给水稻生产带来极大影响。

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而成。这种杂交导致杂草稻同样获得了除草剂抗性等。科研人员建议,要尽可能防止不同水稻品种间的串粉,通过加强育种过程管控来减少杂草稻的出现。

难以除净杂草稻的另一个原因是,从外形上很难区别。在苗期,杂草稻就与栽培稻“较劲”,抽穗之后还会率先成熟。邱杰认为,水稻通过稻苗移栽能够很好地防控杂草稻。

在危机中找到未来水稻育种的机遇

杂草稻的危害性还来自于其休眠特征,也就是说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’。”

这种能力来自于从休眠中“觉醒”的种子及其强劲的发芽势。科学家们很希望将这种“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。

研究发现,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、抗性相关基因等,对杂草稻环境适应非常重要。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发挥重要作用。

化危机为转机,中外科学家在对杂草稻的研究中不断寻觅新的育种方向。

相关论文信息:https://doi.org/10.1186/s13059-020-01980-x


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