改变人类历史的作物驯化

2016-03-28 华大基因

《小王子》中，狐狸对小王子说，驯养就是“建立联系”，驯养发生后，双方就变得彼此需要互不可缺少。“只有被驯服（驯养）了的事物，才会被了解”，这句话放在人类漫长的发展过程中非常贴切。

从40亿年前的有机体到如今的“自然之王”，人类的生存不断被环境影响，也不断地影响着环境。7万年前智人发展出比尼安德特人更丰富的文化，以语言、想象力等文化力量战胜了比自己强壮、会制作武器的尼安德特人，迁徙至全世界，成为现代人的祖先。

在人类征服自然的过程中，人类文化发展的基础，是食物。80万年前就有人种会使用火，驱逐动物，烹饪熟食，焚烧环境。这促进了人类大脑发育、肠道变短，牙齿变小，并让原本难以消化的小麦、水稻、马铃薯......逐渐登上主食食谱。

有很长一段时间，人类通过采集与狩猎生存，供我们采集的物种中，有一些与我们建立了关系——也许是我们的祖先生活的自然环境能够采集的食物面积变小，也许是他们的文化演变到需要固定的社会关系，也许是采集的谷物种子散落在居住地周围而使得定期收割食物比四处觅食来得方便，总之在约一万年以前，他们开始从采集狩猎社会进入定居社会，试着利用自然界的规律春种秋收，播种植物的种子，保证足够的粮食。

有资料记载，“更新世晚期的人类如纳图夫人发明了技术，能够对采集的野生谷物进行脱粒和碾磨，并且开始种植野生谷物”。值得一提的是，在万千种食物中，能够与我们建立关系的数量不多，而成为我们粮食的，也因为大范围的种植而受到保护，“成为彼此不可或缺的部分”。

开创农业历史的作物驯化

据资料记载，谷物的种植或许源自原始人类无意识的行为。《黎明之前——基因技术颠覆人类进化史》一书中提到，从单纯地种植到驯化作物，之间只相隔二三十年。

生长于新月沃土地区（西亚，以色列、伊拉克、伊朗、叙利亚、土耳其等）的野生谷物一旦成熟，便会从谷穗上脱落下来。而驯化后的作物是不会掉穗的，这便于集中收割。单粒麦、两粒麦、大麦都有这个特点。这个驯化方向源自原始人的喜好，或者说习惯，他们采集野生谷物后会把谷物从穗上敲打下来，而不容易脱落的就成为种子，这样长出来的谷物都是不容易从穗上脱落的了。

单粒麦被认为是最初被驯化的野生谷物，驯化时间约为公元前9000年。现代小麦则是8000多年前，粗山羊草与四倍体小麦——圆锥小麦杂交而形成当前的六倍体栽培种，也因此获得了杂草的生存优势，得以传播至世界各地。这一点也得到了科学研究的证实。

华大基因与中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业科学院作物研究所等单位合作完成了普通小麦A、D基因组供体乌拉尔图小麦及粗山羊草的基因组测序及分析，发现发现大量与抗病能力相关的基因（如NBS-LRRl基因等）所发生的显著扩张增强了小麦的抗病性；与对抗非生物应激反应相关的基因所发生的扩张，增强了小麦的抗逆性及适应性；此外，与小麦特有品质相关的基因扩增，促使小麦的品质性状得到改良，从而成为唯一能够制作馒头、面包、饺子等多种食品粮食作物。研究人员还在粗山羊草基因组中鉴定出大量的转座子，使小麦的基因组迅速膨大。据推测，基因组膨大约发生在300万年前，可能与当时地球的气候变化有关。

粮食物种驯化推动人类社会发展

驯化物种的种植范围，也能反映原始人类扩张的经过，甚至与人类社会的宗教文化有关。有记载称，哥贝克力石阵距一种小麦的驯化地仅有30公里，研究者猜测，这一建于公元前9500年的庞大石阵更像是代表一种宗教含义，而原始人开始种小麦，或许是为了支持这一宗教建筑和信仰的延续。

小麦之后，原始人类还驯化了许多其他的物种，《人类简史——从动物到上帝》一文中记载，公元前9500至公元前3500年间，人类驯化了小麦、水稻、玉米、马铃薯、小米和大麦。这些在世界各地不断发生的驯化事件和小麦驯化的影响类似，农业耕种养活了从事各行各业的人，并且能作为交易媒介，人类文化也日渐繁复起来，政治、经济、艺术、文学......推动了社会向更复杂的形态发展。但定居、进入农业社会带来的人口爆炸，让农业社会出现阶层分化，农民面临严峻的生存压力，同时，人口增长、环境恶化带来的粮食危机亦不容小觑。

现代社会的威胁：粮食危机

农业问题、粮食安全是全球性问题，在人类历史长河中，粮食问题几度威胁到人类生存，直至今日，这个问题依然存在。

电影《星际穿越》里呈现了一个场景：人类世界遭遇了干旱和炎热的极端环境，作物受到疫病的侵袭，粮食短缺，除了玉米，其他物种在极端环境及病毒威胁下无法存活。

星际穿越里提到的枯萎病由病毒引起，由于病毒会在短期内产生变异，由此引起的枯萎病较难控制。虽然电影不代表现实，华大基因研究院副院长张耕耘也认为，鉴于目前地球生物多样性较丰富，一种病毒导致全球作物灭绝的可能性不大，而且现有的基因组学育种平台技术能够在较短的时间里诊断病因，给出对策。但植物确实很容易受到环境气候的影响，而这样的影响，往往是人类不能承受之重。1854年的爱尔兰土豆晚疫病，带来了持续几年的大饥荒。晚疫病属于真菌感染，爆发饥荒的土豆只属于S. tuberosum ssp. andigena 这一个亚种，品种太单一，疫情爆发时影响力颇大。

玉米拯救人类的理论基础，是因为玉米是C4植物，在高温、长时间光照、低二氧化碳浓度下，玉米能够保持较高的光合速率，保证产量。而水稻、小麦这类C3植物可能会因为不适应环境而无法存活。同样是C4植物的作物还有谷子——脱壳后为小米。在全球气候剧烈变化、耕地资源不断减少、水资源日益短缺的情况下，大力培育和推广优良谷子品种将有助于提高土地利用率，节约灌溉用水，增加粮食产量。同时，谷子自身营养价值极高，对合理膳食结构，改善人民健康有益。科学家们对谷子展开了多方面的研究，发掘其成为第五大主粮的潜力。对谷子种植和培育的实践，也将为农业可持续发展带来新方向。

为了解小米成为第五大主粮的潜力，研究者们对谷子进行了多方面的研究，其中，华大基因和张家口市农业科学院等机构对谷子的全基因组进行测序，发现谷子的培育潜力。基于基因测序的结果，分子生物学家们可以发现谷子生育期短、单株籽粒多、适应性广、抗旱、耐瘠和高光合作用效率的机理，培育高产优质、抗逆谷子新品种。2015年，河南长垣、新疆等地的谷子大丰收，也让我们看到了解决粮食困境的希望。

也许驯化并不是单向的过程，小麦的出现，让农民躬身劳作，为小麦基因的延续和扩张提供条件。说小麦驯化了人类，也不是一个令人惊奇的答案呢。而如今处理粮食危机，基因技术是了解作物特性、培育高产的作物基础与工具，表明我们又在用技术重新驯化作物。这一切，都说明我们与粮食作物建立的联系确实不容忽视，二者不可或缺。

【扩展阅读】物种驯化史

水稻

约8500年前，栽培稻在长江中下游起源，其中粳稻和籼稻在3900年前分化。对于水稻起源于中国还是印度，学界一度争论不休。目前，2011年美国圣路易斯华盛顿大学的Barbara A. Schaal和纽约大学的Michael D. Purugganan的基因组学研究成果是目前比较令人信服的理论，他们认为，野生水稻首先出现在中国长江中下游地区，被驯化为粳稻后，扩散至印度，与当地野生稻杂交为籼稻，又回到中国。

对于水稻的基因组研究比这更早，中国的水稻中国人来测。2002年4月5日，华大基因等中国机构共同完成的《水稻（籼稻）基因组的工作框架序列图》一文以封面文章形式发表于国际顶级学术期刊《科学》上。这一框架图覆盖了92%的水稻基因组，研究人员发现籼稻基因组共包含4.66亿个碱基对，基因数目在4.6万至5.6万个之间。籼稻基因组有约70%以上的基因出现重复，而这可能是植物适应性进化所需蛋白质多样性的原因。此外，研究还发现，水稻的杂交优势很可能与基因组大小、组分、基因表达等都有关系。紧接着，华大基因等中国科研团队又完成了水稻基因组精细图和水稻第四号染色体精确测序图，为水稻的改良提供基础。

马铃薯

马铃薯又称为土豆，被称为“十全十美”的健康食品，它是世界上第三大粮食作物，欧美人民的主粮。我国的马铃薯产量最多，但因为缺乏适合于我国气候条件和栽培方式的优良品种，这一原产南美的外来作物亩产不高，只有荷兰的1/3。马铃薯一度为欧洲带来了19世纪人口繁荣的景象，但因为生物多样性单一，19世纪由一种真菌引发的晚疫病造成马铃薯欠收，爱尔兰人民因饥饿致死或逃亡。

2011年，华大基因和国际协作组对马铃薯的基因研究成果在Nature上以封面文章形式发表，这耗费了由14个国家29个单位的97名研究人员组成的协作组6年的艰苦努力。研究发现马铃薯基因组包含约39,000个基因，在进化过程中经历了两次全基因组复制。马铃薯是通过薯块繁殖的，属于营养繁殖作物，具有严重的自交衰退现象。通过比较基因组分析，发现了薯块生长发育和病虫害抗性的重要基因。此外，马铃薯基因组也为进一步了解双子叶植物的进化路径提供了分子生物学新知识。

玉米

玉米是集粮、经、饲为一体的三元作物，也是重要的能源作物。考古学及遗传学证实玉米大约驯化自10,000多年前，在驯化过程中，玉米经历了一次特殊的表型转变，这使其更加容易满足人类的需求。2012年6月，冷泉港实验室和华大基因等机构主导完成玉米遗传变异研究，测序完成第二代玉米单体型图谱。

加州大学戴维斯分校和华大基因等单位主导完成的研究中，研究者发现玉米在经过人工驯化之后又产生了新的遗传多样性，并推测这很有可能是由于野生近缘物种的基因渗入所导致的。研究人员发现了数百个具有强烈选择信号的基因，并推测这些基因可能在玉米的驯化过程中发挥着重要的作用。此外，研究数据还表明在玉米的驯化过程中，千百年前古代农民应用的人工驯化方法似乎比现代育种学家所使用的方法发挥了更大的作用。

小米

根据考古发现，7000年前，黄河流域河北武安磁山出土了粟（谷子，脱壳后为小米）粒，长江流域浙江余姚河姆渡遗址发现曾种植过水稻。看来，南北差异，古已有之。7000年后的现在，谷子仍多种植于北方。

谷子曾居为五谷之首，2000多年前的农业书籍《氾胜之书》及1500多年前，贾思勰的《齐民要术》中都有记载。夏朝和商朝还被称为“粟文化”的王朝，粟（谷子）被视为尊贵之物。以其耐旱、耐贫瘠、 生长期较短， 非常适合中国北方旱地种植的特点。由于种植技术落后，直到秦朝，谷子仍是黄河流域先秦居民的主粮，也为人口增加做出了贡献。但又正因为人口激增，谷子因为产量不足，秦汉时期主食地位逐渐被更高产的小麦代替。又因为宋朝时水稻品种多样化，明代引进玉米、番薯、马铃薯，谷子种植面积减少，种植技术也未提高。如今，期待具有优势的C4作物小米将在科技的帮助下，重归主粮行列，成为拯救人类的“末日作物”。

基因科技造福人类

长按二维码扫描