大米讲述的科学故事

查基因查出了老祖宗

你知道人类所食用的大米,其老祖宗诞生在哪里吗?这个看似简单的问题,千百年来其实一直没有明确的答案.

要回答这个问题,目前有两种最有说服力的办法：其一是看哪里出土的大米化石或相关的加工工具最古老,其二是通过基因图谱进行排查,查它进化的最初源头.很明显,第一种方法有很大局限性,因为大米化石存在的可能性太小,即便发现了,也很难断定它一定是大米的老祖宗；而第二种办法就有说服力了,因为通过基因图谱进行排查,不但脉络清晰,而且有根有据.

前不久,中科院上海生科院的一个研究团队就用第二种办法,找到了大米老祖宗的出生地.研究团队从全球不同地方选取了400多份普通野生水稻,对它们进行基因组鉴定,然后与先前的栽培稻基因组数据一起,构建出一张水稻全基因组遗传变异的精细图谱.

图谱明确地告诉人们,广西野生大米就是人类食用大米的老祖宗.相关的考古发现也支持这个结论,如在广西隆安县乔建镇稻神山附近的贝丘遗址中,人们就发现了新石器时代早期的稻谷脱壳工具石磨盘和石磨棒,说明1万多年前居住在这里的人群已经掌握了稻作技术,是最早发明水稻人工栽培技术的人群.

被“联姻”,被进化

大米自从实现人工种植以来,一直是最受人类喜爱的主食之一.所以一直以来,人们一直在围绕增加它的单位面积产量做文章.于是,每一粒大米就包含了无数次进化的故事.

近百年来,人们发现,通过不同种类的水稻进行“联姻”再“联姻”——进行杂交育种,选拔优良的种子后代,是提高大米产量的重要捷径之一.这种老办法到了上世纪末和本世纪初,被我国科学家袁隆平运用到了炉火纯青的境界.在实践中,袁隆平成功研制了三个系列的杂交稻.通过这三个系列的稻的不断组合“联姻”,可以不断选出优秀的有独立繁殖能力的杂交稻,于是大米就获得了不断进化,产量也逐步提高了.

用这套杂交办法,袁隆平在2011年指导培育出的“Y两优2号”超级杂交稻试验田,平均亩产926.6千克,创造了中国大面积水稻亩产最高纪录,也几乎是当今世界的最高纪录.

袁隆平认为,现在水稻还都是半低秆的,株高仅约1.2米到1.3米.未来适当增加株高,是提高水稻产量的理想途径,通过不断实验和改良,未来的超级杂交稻将达到1.8米甚至2米,长得像高粱一样高,稻穗像扫帚,那时大米的产量不但大大提高,人们还可以坐在稻谷下乘凉呢.

控制产量的

1996年,我国研究人员让1000粒广东水稻种子乘坐返回式卫星,在太空旅行了15天.经过几年的培育,发现它们的第一代表现和"父辈"一样,到了第二代,有的比"父辈"的产量高多了,有的却变得很糟.科研人员挑出优者继续培育,最后得到一个新品种“华航一号”,它的秆子和叶子都和正常水稻没有区别,就是穗子特别长,超出普通稻穗的1/3,结粒很密,每亩产量最高达到了600千克,比一般大米产量高多了.这个事实表明,太空环境能诱发大米基因发生改变,所以找到这些,通过调控这些,大米的进化过程就可以加快,产量还可以大幅度提高.

那么,控制大米产量的究竟是什么呢?最近,我国复旦大学的研究人员对此进行了破译.研究人员将具有高产性状的江西东乡野生稻与栽培稻“桂朝2号”进行杂交,最后将目标锁定在第六代水稻2号染色体前端,其含500个基因.经详细比对分析,不断缩小范围,终于发现其中LRK1—LRK8等8个基因组成的“基因家族”,是控制大米产量的真正组,其中有3个作用尤其关键.

在试验中,研究人员把产量高的大米种子中这3个移植到了产量低的种子中,结果产量低的种子后代产量立即提高了10%.科学家认为,这个事实无疑为通过基因改造手段提高大米产量,提供了新思路.

检测如让大米换一种方式

“吃饭”

不过,科学家发现,提高大米产量的基因改变方法,除了围绕控制大米产量的基因做文章,还有另外一种富有想象力的方法.

先前的研究证实,大米所属的水稻和小麦一样,都是C3植物,而植物主要分C3和这两大类植物：C3植物主要有小麦、水稻、大豆、棉花等大多数作物； 植物主要有玉米、甘蔗、高粱等作物.这两类植物的主要区别是“吃饭”能力——吸收二氧化碳的能力大小有所不同.相比之下,C3植物的吸收能力远不如植物,所以这类植物无法更好地适应干旱、强光照射、高温和低氮环境.而造成这种能力差异的根本原因是,C3植物自身缺少植物所具有的一种能产生高效光合作用的特殊花环结构.因此一直以来,科学家都在幻想通过什么办法让大米这种C3植物也拥有植物所拥有的特殊花环结构.如果美梦成真,那么大米的产量就会增加50%.

为了实现这个梦想,美国康奈尔大学的研究人员最近就展开了深入研究,并取得了突破性进展,因为他们在植物中,发现了一种名为“稻草人”的基因,这种基因实际控制着那种特殊花环结构的发展变化.这项研究结果无疑为揭示整个花环结构的控制方式的奥秘,提供了重要线索.

科学家指出,通过基因工程,未来如果能让大米所属的水稻拥有植物的特殊花环结构,让它们换一种方式“吃饭”,那么大米的产量不但会大幅提高,其抗炎热、干燥和适应贫瘠土壤的能力也会大幅提高.

随着人类科技的不断进步,大米还会向人们讲述更多的关于它们发展壮大的科学故事.