稗草的拟态与进化:稻田中的生存策略

作者: 王新

来源: 科学⼤院

发布日期: 2023-10-21 11:03:20

本文详细介绍了稗草在稻田中的拟态与进化策略,以及人类如何与其进行斗争。稗草通过拟态和进化,模仿水稻的形态以避免被根除,同时进化出抵抗病害和除草剂的能力。文章还提供了实用的除草技巧,帮助农民有效控制稗草。

有些⼈嘴上说着要回家种⽥,但其实连怎么除杂草都不懂。天天上班的你会不会偶尔感慨:“压⼒好⼤啊,好想回家种地!”古有陶渊明悠然⾃得,采菊东篱,饮酒⾄⽇暮。今有李⼦柒⼈美⼿巧,栽花房前,仙隐于桃源。倘若在下也解甲归⽥,每⼀担⽔都是⾃⼰挑的,每⼀粒⽶都是⾃⼰种的,每⼀朵花都是为我⽽开的。那可真是逍遥快活,羡煞旁⼈呢!那么⼤家真的准备好种地了吗?不妨先来看看这张图呀!总得拔⼀个,要不就都拔了吧!

(误)回答“秧旁边的是草,草旁边的是秧”的⼈,可以先拖出去了......稻⽥“头号玩家”虽然上⾯这张图⽚已经被⼴泛传阅到了包浆的程度,但凭借“种⽥⼈”的直觉,很快就可以确定右边是作物——稻,⽽左边则是杂草——稗。除了病⾍害、⾃然灾害等因素,杂草也会给粮⻝⽣产带来严重危害。根据2009年联合国粮⻝及农业组织的数据,重要的农业杂草造成的全球作物产量损失每年约愈950亿美元。

稗则被称为“⽥间头号杂草”,拔不尽,除不完,⼈类已经和它⽃智⽃勇了⼏千年。稻和稗同属于⽲本科,据Flora of China记载,稻属包含24种植物,中国有6种;稗属包含⼤约35种植物,中国有8种,其中⼀年⽣的异源六倍体——稗⼴布全球温暖地区。作为被⼦植物的第五⼤科,⽲本科约有770属12000种植物,时常让⼈脸盲,稗和⽔稻⻓得那么像,怎样才能避免除草除完却只剩稗的尴尬局⾯呢?

花期或结实期时最容易分辨,不⽤多讲,看花序和颖果的形态⼀眼就能分辨稻和稗。然⽽实际⽣产中,总不能等到稗开花结实了再去辨认。不在花期或结实期时,就得靠这套永远都不会出错的“终极武器”——叶⾆和叶⽿了。稻属植物在叶⽚与叶鞘连接处的内侧经常具有膜质的叶⾆(多为镰⼑状,还具纤⽑),叶⽚基部两侧往往延伸形成叶⽿,⽽稗属植物在叶⽚与叶鞘连接处不具叶⾆,也不形成叶⽿。

⾃然界中,总有些聪明的⽣物拥有糊弄⼈的本事,例如林鸱、兰花螳螂、枯叶蝶、尺蠖、叶?、⽵节⾍、⽣⽯花等进化出了“伪装”的本领。其⽬的是融⼊环境,让观察者注意不到它们,以⽅便⾃⼰捕⻝或是躲避捕⻝者。还有⼀类糊弄叫做“拟态”,⽬的是让观察者注意到它们,但做出错误的判断。例如兰花的欺骗性传粉,蛛尾拟⻆蝰靠尾巴引诱⻦⼉靠近。本⽂的主⻆——混迹在稻⽥⾥的稗,它的模仿也已经到了⼗分精准的地步!

植物拟态是⼀个演化⽣物学概念,指植物体在⽣理或形态上演化成类似其他⽣物,以增加其适应度的现象。植物拟态有⻉克拟态、多德森拟态、瓦维洛夫拟态、波漾⽒拟态、⻉⽒拟态、叶拟态等类型。稗的拟态属于瓦维洛夫拟态。瓦维洛夫拟态以俄罗斯著名植物学家和遗传学家尼古拉·瓦维洛夫的名字命名,它描述了⼀种适应性现象,即杂草在其⽣命历史的特定阶段进化成类似驯化作物的形态,以避免被根除,被认为是⼈类⽆意选择的结果。

与⼤多数拟态系统类似,瓦维洛夫拟态也包括三个参与者:(1)模型——被模仿的作物;(2)模仿者——模仿模型的杂草;(3)被欺骗者——识别和清除杂草的农⺠。稗具有拟态和⾮拟态两种类型,拟态型的稗具有直⽴的分蘖和叶⼦,⽽⾮拟态型稗那就真的是在骄傲放纵⾃由⽣⻓了。稗的⽔稻拟态被认为是由连续的⼈⼯除草引起的。那么,在伴随拟态过程的稗基因组中会检测到⼈⼯选择的信号吗?拟态稗⼜具有怎样的进化机制呢?

浙江⼤学樊⻰江教授团队通过表型和基因组重测序对来⾃⻓江流域的328份拟态和⾮拟态稗材料进⾏了⽐较。研究显示拟态型稗会模仿⽔稻的⼩分蘖⻆、直茎节、绿⾊茎基部和紧凑的叶⼦(⼩叶夹⻆)等表型。群体进化分析表明,⻓江流域的拟态稗约起源于1000年前,彼时正值宋朝,在⼈⼝激增、⽔稻耕作逐渐精细的趋势下,拔除⽥间杂草这⼀操作使得稗被逼⽆奈,逐渐进化出了⽔稻的形态。

与⾮拟态稗相⽐,拟态稗的遗传多态性降低,经历了遗传瓶颈效应,并且基因组中包括控制分蘖⻆度的关键基因LAZY1等87个与植物结构相关的基因在拟态过程受到了正选择。LAZY基因果然“名副其实”,稗⼀旦懒惰,便没办法在稻⽥⾥享受⽔稻⼀样的待遇了。所以啊,这位糊弄学⼤师虽然很会糊弄⼈,但它在努⼒进化这件事上从不糊弄。为了抗击稗,⽔稻⾃⼰和农⺠伯伯都会疯狂地向其“施毒”,那么稗⼜是如何应对的呢?

(⼀)抵抗来⾃⽔稻的化感作⽤:植物化感作⽤是指植物向环境释放特定的防御性化学物质,从⽽影响邻近植物⽣⻓的效应。化感也是⽔稻和杂草互作的主要⽅式之⼀,⽔稻⾼化感品种可以⾃身合成并释放化学物质来抑制稗的⽣⻓。⽽稗则进化出可以合成丁布(DIMBOA)的三个基因簇,在与⽔稻混种时,该基因簇会快速启动,⼤量合成可以抑制⽔稻⽣⻓的丁布。

(⼆)抵抗稻瘟病:稻瘟病是⽔稻⾯临的最主要的全球性真菌病害,⽔稻⾃身会合成⼀种化感物质稻壳酮来进⾏抵御。这么重要的技能,身在稻⽥⾥的稗怎么能不学着点呢?是的,稗同样进化出了合成稻壳酮的基因簇,稻瘟病原菌⼀旦出现,便会诱导其⼤量表达,并快速合成稻壳酮,在稻⽥⾥和⽔稻共同抵御稻瘟病。(三)抵抗除草剂:⽔稻⽣产中喷施除草剂是重要的控草⼿段,稗对除草剂的抗性在基因组上是怎样体现的呢?

将稗与⽲本科⼀些分化已有⼏千万年的物种(粟、⽟⽶、⾼粱、⼆穗短柄草、稻)进⾏⽐较,发现稗基因组中与除草剂解毒性相关的基因数⽬显著⾼于其他五种植物,从⽽具备了抵抗除草剂的“天资”。此外,油菜素内酯这种可促进⽣⻓活性,并参与⽣物和⾮⽣物胁迫响应的植物激素,也可能为稗快速⽣⻓以及在化感作⽤中⾃保⽽发挥作⽤。稗这么⽆法⽆天,真的治不了它了吗?

请收下这份除草攻略:(⼀)⼟壤⾼温灭菌稗的种⼦休眠期⻓,可以在⼟壤⾥存活很久。实验室可以采⽤⾼压灭菌锅在121℃下⾼压蒸汽灭菌20分钟,杂草种⼦和微⽣物都能放⼼根除。不过这对于⼤⽥操作来说不太友好。(⼆)拔苗要趁早稗⽣⻓迅速,根系发达,拔草时⼀不⼩⼼会把⼤半盆的⼟都连带扯出。此外,稗⼀旦开花结实,⼤量的成熟种⼦散落,就得做好常年拔草或者全部换⼟的准备了。因此,拔苗需趁早。

对于稻⽥来说,整地时要结合除草并施⾜基肥,促进⽲苗⽣⻓,以苗压草。幼苗期坚持湿润灌溉,促进⽔稻⽣根,⻓期淹⽔,防⽌因稻⽥过⼲⽽萌发稗。(三)正确使⽤除草剂除草剂的种类很多,有作⽤于杂草不同部位(如种⼦、茎叶)及不同时期的农药,此外,⼆氯亏磷酸钠盐、五氟磺草胺等不同成分的农药除草效果也有差异。因此,有必要咨询专业的农业技术员,确保在最佳的时期,选择合适的农。

在这个连草都这么卷的年头,希望这篇种地实⽤⼩技巧,能够安慰和帮助到⼤家。如果很不巧,你的实验盆(地)⾥已经⻓了很多稗,那就把⼼态放好⼀点吧,反正都已经⻓了,还能不拔咋地?最后,相信你已经能够使⽤“终极武器”快准狠地分辨出稻和稗了。那么附加题来了,你还能根据稗的“⽓质”从本⼈在材料盆中随⼿薅来的4种草中找到它吗?

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