稗草(Echinochloa crus-galli)是田间头号杂草,为了除掉它,人类已经努力了几千年。浙江大学农业生物与技术学院樊龙江教授团队与中国水稻所等单位合作研究最新发现,为了避免人类的“驱逐”,田间的稗草们竟学会了“伪装”。几千年来,它们与水稻越长越像,从原来松垮贴地的懒样子,进化出了今天亭亭玉立的模样。
“人类行为加速了稗草的进化,无意中产生了类似驯化的选择效应。”樊龙江说。相对于动物拟态,科学界对于作物拟态尚无定论,樊龙江团队第一次从基因组学研究角度证实了作物拟态的存在。相关论文9月16日发表于《自然·生态与进化》杂志。
在稻田中,稗草居15种恶性杂草之首,是农民喷施除草剂最主要的目标。研究人员从在我国长江流域收集稻田及周边采集到的328份稗草进行了研究。从外形上看,水田的稗草与旱地稗草有着明显差异:旱地稗草“长相”比较随机,大多数稗草趴地横长,茎基部呈现红色,完全不像水稻。而田间稗草就很有“稻”样,特别是在苗期,它们有模有样的收起了分蘖和叶子的夹角,和水稻一样向上生长。这种“伪装”术变得让人类难以识别。
第一个注意到这种现象的是前苏联著名植物学家瓦维诺夫。上世纪30年代,他从进化角度提出一个观点:农田杂草与作物相像是杂草拟态作物形态的结果,是杂草适应性进化的产物,目的为了躲避农民拔除。由于缺乏实验证据,学术界对这一观点一直存在争议。樊龙江介绍,通过全基因组遗传变异分析,发现328份稗草材料可明显以分为3个组,拟态组、非拟态组及中间类型。
与非拟态稗草组相比,拟态稗草的遗传多态性降低,经历了遗传瓶颈效应。“这表明稗草在拟态过程中受到了定向选择。”樊龙江说。
稗草经历了上千年来自人类的选择压,快速进化。那些让稗草长得更像水稻的基因,让稗草逃过人类的拔除,继续在稻田里享受着和水稻一样的待遇,那些基因也因为人类的选择压力得以保留下来。也就是说,是人类的除草行为,无意识地刺激了稗草们的生存技能。该项研究首次解析了植物拟态进化分子机制,在进化生物学上具有重要意义。此外,研究结果解析农田杂草起源与控制、株型相关基因挖掘与利用等方面也提供给了研究线索。