农作物为人类在地球上的生存繁衍提供了最基本的保障，是人类长期的经验积累和智慧的结晶。然而，农作物是如何被人类从自然界推上餐桌的呢？从生物学角度上来看，这些农作物究竟是怎么来的？它们和其祖先有哪些不同？又是什么东西决定它们变成了现在的这个样子？我们现在又如何把它们变成我们更喜欢、更需要的样子呢？

从自然界到餐桌上——作物的驯化

 

 

在回答这些问题之前，让我们先来了解一下“驯化”这个概念。

 

通俗地讲，驯化就是我们的老祖宗从山上或者草地里看到合适的、心仪的野生植物，把它们带回住地去进行人工栽培繁殖，随着时间的推移，老祖宗们不断地选择他们喜好的那些植物（好吃的、产量高的等）保留下来，下一年接着种。这样，最开始的野生植物就慢慢变化成为了我们今天栽培的作物。

 

世界主粮作物主要有三大类：玉米、水稻和小麦。据考证，其中水稻起源于中国。约9000多年到约1万年前，中国人的祖先就已经开始种植水稻了，在水稻的驯化上为全世界作出了巨大的贡献。玉米起源于北美州的墨西哥，准确地说是墨西哥西南部的一个盆地。而小麦则起源于亚洲西部目前依然战乱频发的地方，包括伊拉克、叙利亚、黎巴嫩等，可以说两河流域文明孕育了麦类。到现在这三大主粮在全球种植和食用，人类的祖先对这些作物进行了几千上万年的驯化，这实际上就是一个有意识和无意识的农作物品种培育过程。在这个过程中，基因起着决定性作用，基因的变化决定了农作物从古到今的变化。

 

那么，基因是什么？专业地讲，基因是具有遗传效应的DNA（即“脱氧核糖核酸”的英文首字母缩写）片段，而DNA是由包含腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（分别以A、G、C和T表示）四种碱基的脱氧核苷酸通过碱基之间互补配对的方式，按一定的顺序排列连接而成的螺旋状双链大分子物质。通俗地说，基因就是生物体中决定这种生物体长成什么样子、具有什么样的特性，而且还能把这些样子和特性传递给它的后代的一种物质。不同基因中上述四种碱基（A、G、C、T）排列顺序的差别就决定了各个基因控制的特性不一样。

 

了解基因的概念后，作物驯化育种的过程就好理解了。

面目全非的玉米

 

 

 

先来看看玉米的驯化。

 

玉米，在我国又被称为玉蜀黍、包谷、苞米、棒子等等，从这多样的中文名中就知道玉米传入我国后广受各地区百姓的喜爱。但你可知道玉米的祖先是怎样一个容貌？图1左边显示的就是玉米的祖先，右边则是现代玉米。

 

现在的玉米大同小异，而和它的祖先相比变化就非常大，要是没有科学研究验证那就是玉米的祖先的话，几乎没人能猜出来，其差别堪比变魔术。

 

首先，祖先玉米分很多杈，分出很多杆，而现代玉米只有一个杆。

 

其次，现在的玉米一般只长一个棒子，而祖先玉米就能结出多个棒子。

 

此外，现代玉米的玉米粒就长在一个玉米棒上，而且外面是没有壳的，抠下来直接就可以吃，而祖先玉米的玉米粒外面有一个很硬的壳，不能直接吃（图2）。

 

祖先玉米在驯化过程中是怎么变成现在的这个样子呢？这就要提到美国著名遗传学家George Beadle（乔治·比德尔），他因发现一个基因一个酶而获得1958年诺贝尔奖。

 

退休以后，乔治就到农场做了一个很有意思的实验。这个实验的规模很大，要用很多亩地，一般的教授用不起，他因为是诺贝尔奖获得者，没有资金的问题，就能做这个实验了。经过实验以后他提出了一个假说，认为从祖先玉米到现代玉米只有约五个基因发生了变化。这在当时是很有争议的一件事，很多人并不相信其可能性。1998年，这个假说被另外一位科学家John Doebley证明。他证明了从祖先玉米到现代玉米的转变可能就只是几个基因的作用，当然不一定是五个。

 

玉米棒子从古代到现代慢慢演变的过程，从不同年代的化石中都能找到证据。科学家最关键的实验最后证明，祖先玉米和现代玉米主要的性状（指生物体所表现的形态结构、生理生化特征和行为方式的统称，简单来讲是植物易于观察和测量的特征）差异和6个基因有关，也就是说这6个基因的变化使得祖先玉米变成了我们现在看到的玉米的样子。

 

每一个基因的变化都非常小，但其带来的总体影响却是很大的。一个基因能够把玉米的多个分杈变成一个分杈，准确地说，那个基因并没丢失也没有被破坏，只是活性被稍微调低了。这就像踩油门，以前踩得比较重，现在踩得轻一点，结果就不一样了。活性调低一点点就使分杈的玉米变成了我们现在一直种植的玉米的样子。

 

另外，祖先玉米粒外有个很硬的壳，砸开壳后玉米粒才能出来。13年前，科学家搞清楚了玉米粒由硬壳到无壳的演变是由一个基因tga1的变化导致的（图2）。

 

 

站起来的水稻

 

 

大家要是在户外，特别是南方比较潮湿的草地上走路，一不留意就可能踩到野生水稻。野生水稻和草在外形上没什么区别，都是趴在地上长的，有很多性状和栽培稻（即我们现在的水稻）不一样（图3）。

 

栽培稻是我们的祖宗根据自己的需要反复选择而保留下来的，它和野生稻祖先的差别非常大，一个是匍匐生长（野生稻），一个是直立生长（栽培稻）。这就像我们人类的进化一样，从趴在地上四肢爬行逐渐演变成直立行走。水稻从原始到现代，也有一个从趴着到站着的转化过程，科学家最近的研究发现，从野生稻趴在地上生长变成栽培稻直立生长，实际上也是由于一个基因活性的改变造成的，却是水稻的一个非常重要的性状改变。

 

 

水稻站起来的过程，还伴随着许多其它性状的改变。

 

原始的野生水稻籽粒成熟一粒掉一粒，仔细想想这实际上对一个物种是有利的，水稻生长在地球上，其目的不是被我们吃，而是作为一个物种繁衍后代。我们把水稻作为粮食来专门填饱我们的肚子，目标改变了，所以对它的要求也不一样，我们要求它变成现在的这个样子：直立生长，不易落粒，还要产量高，穗要紧凑，穗太散了不利于高产。现在的栽培水稻籽粒，单纯触碰它是掉不下来的，还需要收割后人工脱粒，这样收粮食时才不会损失。从落粒到不落粒，这完全是为了解决人类的吃饭问题。科学家发现，这个性状的转变也是由于一个基因中的一个碱基的变化造成的，这个变化在自然界中偶然巧合地发生，造成了性状的改变后我们的祖先便把它收留并传下来了。

 

在穗型方面，很发散的穗型要高产是不可能的。这跟举重运动员似的，平着胳膊举和弯起胳膊举是不一样的。所以穗就要变成紧凑型，每一个穗上面的承重量要提高，这样才能高产。穗型从发散到紧凑的原因也被研究清楚了，同样是因为一个基因里面的一个碱基发生了变化。

 

此外，栽培稻的演化过程中，还有一个性状发生了明显的改变。现在的水稻没有芒或者芒很短，而野生稻的芒是现代栽培稻的几十倍长，芒上面还有很多刺（图4）。野生稻为什么有这么多芒？首先，有了芒，鸟就不敢吃了，因为吃了以后芒会扎它的脖子和喉咙。同一个地方一边种野生稻，另一边种现代栽培稻，鸟只会吃没有芒的栽培稻。其次，一个带芒的籽种掉下地就像炸弹落地一样，有一个头、一个尾，就知道哪一头先着地，而且每一次情况都相同，这样它在土里扎的深，不容易水一淹就漂走了。芒还有一个好处，就是帮助籽粒粘附在动物身上被动物带走，从而广泛传播，所以野生稻的这种性状是有利于其传宗接代的。而现代栽培稻无芒或短芒的特征却有利于种子的收获、储藏和加工，从而提高了稻米产量。

 

 

矮个子小麦

 

 

上世纪五六十年代，在农作物育种历史进程中发生了一件对人类生存影响深远的大事情，那就是众所周知的“绿色革命”。第二次世界大战结束后，整个世界进入了相对和平的时期，大家不打仗，都回家生孩子去了，于是出现了所谓的“二战婴儿潮”，导致世界人口急剧增长，直接结果就是粮食供应跟不上了。绿色革命就是在那一段时间内为了解决人们的吃饭问题而发生的一场农业科技革命。

 

在这场革命中，美国著名育种家诺曼·布劳格（Norman Borlaug）起到了非常重要的作用。当时，墨西哥种植的小麦植株都比较高，把营养都消耗在了长高上，用在结种上的营养必然减少，也就必然会影响产量。小麦个子高除了消耗额外的能量外，更不利的是植株过高会头重脚轻，作物立足不稳，较容易发生倒伏，造成产量严重损失。1953年，诺曼·布劳格培育出了矮杆、半矮杆小麦（图5），这些矮个子小麦茎秆粗壮，植株在比较矮的时候就进入开花结实的阶段，可以使植株把更多的营养用在结籽上，高度降低也不易发生倒伏，产量得到了大大的提高。

 

随后，国际水稻研究所也进行了矮杆水稻的培育和种植。这些矮杆作物被逐渐推广到世界许多国家和地区后，几十年内，世界粮食产量因此翻番，从根本上扭转了上世纪后半时期全球饥荒的局面，拯救了许多人的生命。这个过程因此被称为“绿色革命”，诺曼·布劳格也被称为“绿色革命之父”，他因此于1970年拿到诺贝尔和平奖。

 

从高杆到矮杆的变化原因现在也搞清楚了，不同作物演变过程中产生的株高差异都是由于单个基因的活性改变造成的，这表明一个基因活性的改变就能够产生翻天覆地的变化。

 

千姿百态的西红柿

 

 

除了上面所提到的主粮作物的驯化与育种外，其它作物的驯化过程也和基因的改变密切相关。

 

我们在世界各地的超市中见到各式各样的西红柿，它们具有不同颜色、不同形状和不同大小（图6）。而实际上，所有的西红柿都是从同一个祖先进化过来的。可能在我们祖先的培育过程中，西红柿的某一个基因稍微改变了，它的某一个地方就又不一样了。和祖先西红柿相比，现在的西红柿有很多不一样的性状，有圆的、有葫芦样的，有大的、有小的，有黄色的、有橙色的，还有叶子不一样的，有的可以几年不死，一直生长，有的植株长到某一个阶段顶端就没了，就成熟了，等等。每一个重要的变化都是由一个或者几个基因造成的——记住这点非常重要。

 

（由于网页大小限制问题，剩余精彩部分请点击下一则新闻进行阅读）

 

（原文于2019年1月4日发表于《知识分子》，原文链接：http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/4955.html）