百年前启动的一项长期实验揭示了大麦适应性的关键基因

0 cnBeta.COM 2024-09-17 09:02:07

摘要：

从亚洲和埃及到挪威和南美洲的安第斯山脉，大麦是世界上最重要的谷类作物之一，至少已有 12000 年的种植历史。随着大麦在全球的传播，其DNA的随机变化使它能够在每一个新的地方生存下来。得益于大萧条前开始的一项实验，研究人员准确找到了啤酒和威士忌的主要原料--大麦的非凡适应性背后的基因。这些发现可以确保大麦在快速的气候变化中继续生存。

生长在加州大学戴维斯分校田间的大麦，这是一项具有百年历史的生物实验的一部分。图片来源：Dan Koenig/UCR

一个世纪前实验的遗传启示

关键是要找出发生变化的基因，以预测哪些品种能在气温越来越高、干旱时间越来越长、风暴越来越剧烈的地方茁壮成长。

"长期以来，育种家们一直明白，需要培育出适应当地环境的作物。因此，一个世纪前，他们就在加利福尼亚州戴维斯开始了这项实验，试验对象是来自世界各地的大麦品种，目的是找出适应当地环境的品种，"加州大学河滨分校遗传学家丹-科尼格（Dan Koenig）说。

科尼格说："开始这项实验的科学家没有能力精确定位哪些基因能使大麦在特定环境中获得成功和高产，但我们现在可以在我的实验室里通过一次实验研究数千万种基因变化。"

发表在《科学》（Science）杂志上的一项新研究描述了数十种有助于提高大麦适应性的基因。科尼格是这项研究的通讯作者，他解释说，他们发现的一些基因可以帮助大麦将繁殖过程的时间安排在繁殖季节的最佳时期。"开花过早或过晚都意味着植物无法结出种子，农作物要想生产出最大数量的种子，就必须在一个非常狭窄的窗口内开花。"

大麦研究小组在田间。图片来源：Dan Koenig/UCR

基因研究的挑战和影响

在加利福尼亚，农作物必须在漫长的旱季开始前完成开花，否则就没有足够的水分来制造种子。但是，如果植物过早开花，就可能遭受霜冻。研究人员确定了基因如何使开花时间恰到好处，其中有几个基因能促进早开花，另一些基因则能减少晚开花。

确定这些基因并非易事。科尼格说："了解遗传适应性的挑战之一是，看到它可能需要几十年的时间，因为一年只能培育出一代大麦。"

幸运的是，研究人员们可以利用 1929 年在加利福尼亚州戴维斯市进行的大麦复合杂交 II 试验，这是世界上最古老的生物试验之一。该实验的目的是为加州市场发现新的大麦品种。数十年来，育种人员在戴维斯将数千种不同基因的大麦相互竞争。在炎热干燥的加州气候中生长得最好的大麦在竞争中胜出，并随着时间的推移变得越来越多。

科尼格的研究小组意识到，这个实验的种子可以作为时间机器，直接观察适应过程，并找出能够生存的基因。

在这 58 个生长季节里，这片田地从 15000 株不同基因的植物个体变成了一个单一的植物品系，占据了 60% 的种群 ¾ 完全没有经过人类的选择。

科尼格说："我们对短短进化时间内发生的变化之大感到震惊。自然选择在人的一生中完全重塑了整个基因组的遗传多样性。"

研究小组正计划开展更多研究，检查不同气候条件下的长期实验数据，以了解开花时间是如何以不同方式调整的。此外，研究小组还希望更好地了解他们观察到的一些奇特现象。在戴维斯的实验中，植物群体包含了来自许多地方的品种。在适应北加州后，这些植物的产量自然增加了近一倍。不过，这一增幅仍然低于育种人员通过人工选择策略获得的增幅。

产量可能会与其他性状竞争，比如长得快或长得高。种植者希望植物成为友好的邻居，但友好可能会限制对环境的适应。

由于大麦在基因上与小麦、水稻和玉米相似，因此了解大麦如何在如此多样的环境中生存，可以帮助其他谷物适应极端气候。利用基因组工程和 CRISPR 等现代技术，研究人员可以尝试改造其他作物，使其在特定的、更有利的时间开花。

大麦的适应能力是人类文明发展的基石。了解大麦的适应能力不仅对继续酿造酒精饮料非常重要，而且对我们开发未来作物、提高它们适应世界变化的能力也非常重要。