農(nóng)學院樊龍江教授團隊發(fā)現(xiàn)雜草可以被馴化成作物
2021年12月27日，浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院樊龍江教授團隊在國際知名學術期刊《Molecular Plant》發(fā)表題為“Population genomic analysis reveals domestication of cultivated rye from weedy rye”論文。該研究通過對野生、雜草和栽培類型黑麥116份種質(zhì)資源進行全基因組測序和分析，揭示了栽培黑麥是由雜草黑麥馴化而來，極大豐富了作物起源理論。同時該研究挖掘了大量黑麥馴化與遺傳改良基因位點，為黑麥及小麥遺傳育種提供了重要基因資源。
圖1作物馴化起源的兩個途徑。左圖：雜草進入農(nóng)田后，由于人類的不斷清除（一種無意識的選擇），雜草株型逐步變得更加偏向作物，即擬態(tài)作物（Ye et al., 2019）。本論文有關栽培黑麥馴化起源研究，證實了農(nóng)田雜草馴化成作物的作物起源途徑。右圖：雜草與栽培黑麥。
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前蘇聯(lián)著名遺傳學家瓦維洛夫（Nikolai I. Vavilov）1917年提出作物次生起源假說（即部分作物直接馴化自雜草而非野生祖先種），認為栽培黑麥(Secale cereale?subsp. cereale)是由小麥田雜草之一——雜草黑麥馴化而來（圖1）?；蚪M數(shù)據(jù)是揭示黑麥次生起源、馴化選擇機制最為直接和有效的證據(jù)，但由于黑麥基因組的復雜性，黑麥屬全基因組遺傳變異圖譜一直不清楚。樊龍江教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外科學家一起，基于群體基因組數(shù)據(jù)分析了黑麥種群遺傳結構、動態(tài)歷史模擬等，證實了栽培黑麥由雜草黑麥馴化而來（圖2）。
該論文是樊龍江教授團隊有關瓦維洛夫假設的第二篇研究成果。之前他們證實雜草進入農(nóng)田后，受到人類一種無意識的選擇（不斷清除過程），雜草株型（特別在苗期）逐步變得更加像作物，即擬態(tài)作物（Ye et al., 2019. Nature Ecology & Evolution）（圖1）。直接選擇株型與作物相似的農(nóng)田雜草（而不是野生種）作為馴化對象，可以減少株型等性狀的馴化過程，這不失為一個明智的選擇。本研究是上述研究的延續(xù)，從而補齊了作物雜草起源假說的另一個關鍵證據(jù)。
圖2 黑麥屬物種系統(tǒng)發(fā)育與種群結構。圖中可見栽培和雜草黑麥群體分化不明顯
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栽培黑麥屬于禾本科小麥族黑麥屬，與大麥、小麥親緣關系較近，往往作為遠緣雜交材料被用于小麥育種。由于黑麥抗寒、抗病蟲及抗逆性強，植株高大，耐貧瘠、酸性土壤，可作為糧飼兼用的作物，同時也是小麥育種重要異源基因的供體。栽培黑麥從雜草黑麥馴化過程中，該研究還發(fā)現(xiàn)包括與株高、斷穗、產(chǎn)量及抗病相關的至少279個受到選擇的基因位點(圖3)；黑麥屬內(nèi)持續(xù)的基因流動可能對黑麥的馴化產(chǎn)生影響，如在6個栽培黑麥中chr6R染色體有長度為2Mb的片段是來自多年生野生的山地黑麥的滲入，且該滲入片段中攜有與產(chǎn)量、育性等重要性狀相關的基因。
圖3 栽培黑麥馴化過程中基因組受到選擇的位點分布
（供稿 | 作物所孫硯青）
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