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種子的“進(jìn)化”史:育種技術(shù)引發(fā)的農(nóng)業(yè)變革

來源:北京科技報(bào)    發(fā)布日期:2024-05-29 16:40:38   閱讀量:0

撰文/段然  編輯/吉菁菁

近年來,我國農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用領(lǐng)域取得了諸多喜人成就,其中在轉(zhuǎn)基因育種產(chǎn)業(yè)化方面取得的成果格外令人矚目。去年,首批轉(zhuǎn)基因玉米和大豆品種審定通過,并有26家企業(yè)獲批轉(zhuǎn)基因種子生產(chǎn)經(jīng)營許可證。而今年4月,國務(wù)院近日印發(fā)《新一輪千億斤糧食產(chǎn)能提升行動(dòng)方案(2024—2030年)》,全面實(shí)施新一輪千億斤糧食產(chǎn)能提升行動(dòng),全方位夯實(shí)國家糧食安全根基。而為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo),先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生物育種技術(shù)勢(shì)必將扮演不可替代的重要角色。

“國無農(nóng)不穩(wěn),農(nóng)以種為先”,農(nóng)業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有不容忽視的基礎(chǔ)性地位。而育種如同信息時(shí)代的“芯片”一樣,是保障我國糧食安全的基石。在前工業(yè)化時(shí)代那跨越千年的農(nóng)業(yè)文明中,一粒種子足以關(guān)系到邦國安定乃至天下興亡。如何在有限條件下,選育出高產(chǎn)的農(nóng)作物品種實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn),成為下至黎民百姓上至王侯將相共同思考的問題。

新仙女木事件:嚴(yán)寒“逼”出的農(nóng)業(yè)

目前我們已經(jīng)無從推斷,人類是從什么時(shí)候開始向土地播撒第一粒種子的。但歷史上的一次大規(guī)模氣候突變事件,卻可能在無意間倒逼先民們發(fā)展出了農(nóng)耕文明。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初,丹麥植物學(xué)家在丹麥阿爾露德冰緣沉積物中發(fā)現(xiàn)了大量仙女木花粉,而仙女木這種薔薇科植物,在今天一般分布在北極或高山的極寒地帶,而在中緯度地區(qū)的沉積層中發(fā)現(xiàn)它的遺存,則證明地球可能出現(xiàn)過一次大范圍的氣候異常,從而導(dǎo)致這種高緯度耐寒植物大規(guī)模向中緯度擴(kuò)張。

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挪威北部帕耶蘭塔國家公園的苔原地貌上盛開的仙女木花(圖片來源:SiberianJay)

后來,在中緯度地區(qū)越來越多的地質(zhì)學(xué)證據(jù)浮出水面,科學(xué)家們據(jù)此推斷:在末次冰期向全新世轉(zhuǎn)換的約一萬三千年前,世界經(jīng)歷了一次全球性降溫事件,不起眼的仙女木成為此次地質(zhì)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵物證,因而這次降溫事件也被命名為“新仙女木事件”。

“新仙女木事件”讓全球平均氣溫驟降7-8攝氏度,嚴(yán)寒讓森林植被大幅度萎縮,猛犸象、大角鹿、披毛犀等大型哺乳動(dòng)物成批滅絕,可食用的野生植物也大量減少。面對(duì)浩劫,先民只能向著土地尋找生存之道。他們開始收集野生植物的種子,并嘗試進(jìn)行栽培,這也是人類最早的育種嘗試,無意間敲開了農(nóng)耕時(shí)代的大門。

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從15000年前至12000年前,美國加州地區(qū)經(jīng)歷氣候突變后,生物種類發(fā)生了翻天覆地的變化(圖片來源:美國洛杉磯博物館)

當(dāng)然,不是任何一種植物都能按照人類意志去發(fā)芽、結(jié)果。人類面對(duì)的是植物界超過40萬種品種,在缺乏最基本的自然常識(shí)的前提下,先民們開始了最原始的選育工作,經(jīng)歷了上千年的漫長(zhǎng)實(shí)踐后,人類逐步把選育范圍縮小到禾本科植物上。

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野生玉米“大芻草”和現(xiàn)代栽培玉米對(duì)比,現(xiàn)代人類主食中小麥、水稻、大麥、粟、玉米都是禾本科植物。(圖片來源:中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心)

對(duì)于這類植物,人類并不陌生,早在狩獵經(jīng)濟(jì)時(shí)期,晚期智人就開始采集和食用野生小麥、野生玉米、野生稻等禾本科植物。在嚴(yán)酷的環(huán)境中,禾本科家族表現(xiàn)出非常高的環(huán)境適應(yīng)力,所結(jié)出的籽實(shí)提供相對(duì)充足的熱量,這為那些食不果腹的先民提供了一份解決食物危機(jī)的方案。

一次次栽培種植過程中,這些在今人看來更像是草的野生禾本科植物被進(jìn)一步篩選:籽粒小、易落粒、不易加工的被棄用,顆粒飽滿、適應(yīng)力強(qiáng)、容易收集的被留用,它們的種子被再收集并播種。這種早期選育工作雖然粗放簡(jiǎn)單,但卻為先民們留下了相對(duì)穩(wěn)定的糧食產(chǎn)出,早期農(nóng)業(yè)由此發(fā)軔。

優(yōu)勝劣汰:田壟之間的物種篩選

位于今天敘利亞黎凡特地區(qū)的阿布·胡雷拉考古遺址,保存著迄今為止人類最古老的農(nóng)業(yè)種植痕跡??脊艑W(xué)家發(fā)現(xiàn)這里的先民在一萬三千年前就開始有意識(shí)地種植小麥、黑麥等作物,而此時(shí)正值“新仙女木事件”爆發(fā)。

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位于黎凡特地區(qū)的阿布·胡雷拉遺址(圖片來源:Peter M.M.G. Akkermans,Tell Sabi Abyad, or the Ruins of the White Boy. A Short History of Research into the Late Neolithic of Northern Syria

不過這一時(shí)期的先民栽培的還是原始的單粒小麥和二粒小麥,其中二粒小麥?zhǔn)且吧鷨瘟P←溑c山羊草自然雜交而來。經(jīng)過馴化,雖然耐寒耐旱且易于收獲,總體產(chǎn)量不高,品質(zhì)也差,但相比狩獵采集時(shí)期那種饑寒交迫的狀態(tài),這種初代馴化作物起碼為古人提供了一份相對(duì)穩(wěn)定的食物保障。

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普通小麥(左)與單粒小麥(右)比較(圖片來源:Mark Nesbitt)

新仙女木期結(jié)束于11000年前,在氣溫再次回升時(shí),早期農(nóng)業(yè)種植已初現(xiàn)規(guī)模。包括黎凡特地區(qū)在內(nèi)的新月沃土上除了小麥,古人還學(xué)會(huì)了栽培豌豆、小扁豆等4種豆科植物。

在幾乎同時(shí)期的東方,農(nóng)業(yè)文明的曙光也開始照耀中華大地。距今9000年前的河南賈湖遺址中,考古人員發(fā)現(xiàn)了原始稻和粟的栽培遺跡,大量炭化稻種的出土也向世人昭示了:稻種栽培最早起源于中國。此時(shí)的賈湖先民甚至已開始用稻米釀酒,可見當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)種植規(guī)模已相當(dāng)可觀。可以想見,在10000-8000年前,西亞的新月沃土已有了風(fēng)吹麥浪的景象,萬里之外的中原腹地也出現(xiàn)了稻谷飄香、裊裊炊煙。

農(nóng)業(yè)文明的萌發(fā)改變了人類生產(chǎn)生活方式,狩獵采集時(shí)代的四處漂泊變成聚族而居,石器加工變得更為復(fù)雜和精細(xì),而在新仙女木期結(jié)束后,地球又先后經(jīng)歷了8200年降溫時(shí)間,先民們窮則思變的意識(shí)和強(qiáng)大的適應(yīng)力著實(shí)不可小覷。

農(nóng)耕時(shí)代的大門一旦打開就不會(huì)關(guān)上。先民們對(duì)野生作物的馴化開始不斷結(jié)出碩果。

以小麥為例,單粒和二粒小麥的栽培開始逐步從黎凡特地區(qū)向外擴(kuò)散。大約8000年前,里海沿岸的先民在栽培二粒小麥的過程中,無意間讓這些馴化作物和野生節(jié)節(jié)麥發(fā)生雜交,從此生長(zhǎng)出顆粒更為飽滿、適應(yīng)力更強(qiáng)的普通小麥,并開始廣泛種植。而在中國,長(zhǎng)江中下游的古代先民首先從野生稻的種植中培育出今天的粳稻,原來野生稻稻穗稀疏、顆粒短小、稻穗易脫落,經(jīng)過馴化后的粳稻則顆粒豐盈飽滿,稻穗易于收獲。而黃河流域的古人也在狗尾草的栽培中培育出了今天的小米。

人類早期育種工作最終從大自然中篩選出為數(shù)不多的適宜大規(guī)模種植的品種,同時(shí),人類的農(nóng)業(yè)耕作也愈加精細(xì),從開墾土地、翻土播種、田間維護(hù)到成熟收割,都形成一套嚴(yán)絲合縫的工作流程,加上灌溉和施肥技術(shù)的加持,在人工干預(yù)的影響下,野生植物的基因特性和形態(tài)特征在客觀上跟隨人類的意志而改變,一步步適應(yīng)了人工的旱地與水田,演化成與人類共生的農(nóng)作物。

廣西象州的農(nóng)業(yè)技術(shù)人員正在查看野生稻的生長(zhǎng)情況,野生稻資源很少,屬于國家二級(jí)保護(hù)植物,而且是水稻雜交育種中最為重要的材料。(圖片來源:廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳)

人類的主食作物種類逐步固定,在中國,五谷的概念開始形成,在西亞,小麥、大麥連同亞麻和其他豆科植物共8種作物,被后世學(xué)者稱為新石器時(shí)代奠基農(nóng)作物。

經(jīng)驗(yàn)與理論:獨(dú)步世界的育種思想

在漫長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐中,人類也開始逐步總結(jié)出育種與馴化的規(guī)律,最開始作為口頭相傳的經(jīng)驗(yàn)在聚落中傳播,后來在文字出現(xiàn)后,又開始將之記錄,并進(jìn)一步抽象出理論進(jìn)行研究。

在古代育種研究方面,中國人的貢獻(xiàn)是獨(dú)一無二的?!对娊?jīng)·大雅》中就收錄了西周時(shí)期歌頌周人始祖后稷的詩篇《生民》,其中有一句“種之黃茂,實(shí)方實(shí)苞”。意思是,種田要選用金黃好看、個(gè)大飽滿的種子。這相當(dāng)于西周時(shí)期農(nóng)人選育種子的標(biāo)準(zhǔn)。而之后的一句“誕降嘉種,維秬維秠,維穈維芑”,意為上天降下優(yōu)良種子,小米中最好的是秬子和秠子,粟中最佳的是紅米和白米,這暗含著早期農(nóng)業(yè)社會(huì)最樸素的育種思想。而在春秋時(shí)期的《管子·地員》中則記載了18種土壤的性狀以及適宜種植的37種農(nóng)作物,其中稻米就有白稻、陵稻、黑鵝等多達(dá)15種。這一時(shí)期中原地區(qū)育種技術(shù)之發(fā)達(dá)可見一斑。

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清嘉慶年間刊刻佩文齋耕織圖中的“浸種”圖(圖片來源:東京國立博物館)

到西漢晚期,則誕生了世界上第一部農(nóng)學(xué)著作《氾勝之書》,對(duì)當(dāng)時(shí)中原地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性整理和總結(jié),其中對(duì)選種和育種方法進(jìn)行了詳細(xì)論述?!叭←湻N,候熟可獲,擇穗大強(qiáng)者,斬束立場(chǎng)中高燥處,曝使極燥……取干艾雜藏之,麥一石,艾一把,藏以瓦器竹器,順時(shí)種之,則收常倍”等內(nèi)容就對(duì)當(dāng)時(shí)流行的“穗選法”作了詳細(xì)論述。

在隨后的兩千年農(nóng)業(yè)文明歷程中,對(duì)作物育種的論述越來越理論化、體系化。比如南北朝的《齊民要術(shù)》就對(duì)“留種田”這一培育優(yōu)良品種作物的方法進(jìn)行了總結(jié),還就新作物的命名提出了三條依據(jù),即按照人名、種子形態(tài)和特性來命名。明代《國脈民天》中有“養(yǎng)種篇”,專門論述優(yōu)良品質(zhì)繁育的技術(shù)。這些卷帙浩繁的農(nóng)學(xué)著作包含了大量古人總結(jié)的農(nóng)業(yè)育種方面的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí),是中國乃至世界農(nóng)作物育種研究的重要資料。

展望未來:基因?qū)用娴挠N技術(shù)

中國古代的育種知識(shí)和技術(shù)雖然長(zhǎng)期領(lǐng)先于世界,但依舊無法擺脫農(nóng)業(yè)社會(huì)時(shí)期經(jīng)驗(yàn)主義的底色,糧食產(chǎn)量和品質(zhì)無法得到實(shí)質(zhì)性提升。進(jìn)入工業(yè)時(shí)代和信息時(shí)代,隨著分子生物學(xué)與遺傳學(xué)理論的不斷完備,先是雜交育種技術(shù)開始得到全面推廣,糧食產(chǎn)量從上世紀(jì)開始得到飛躍式增長(zhǎng)。

隨后,人類對(duì)農(nóng)作物育種的認(rèn)知下探到了基因?qū)用?,轉(zhuǎn)基因技術(shù)登上歷史舞臺(tái),并開始持續(xù)賦能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而這一技術(shù)的演進(jìn)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)思想的沖擊是顛覆性的,同時(shí)也昭示著一個(gè)農(nóng)業(yè)新時(shí)代的到來。

直到今天,生物育種技術(shù)開始大規(guī)模運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,面對(duì)“干旱”“病蟲害”這些傳統(tǒng)老大難問題,人們終于獲得了更高效的解決之道。比如在針對(duì)病蟲害方面,科學(xué)家們通過轉(zhuǎn)基因方法引入了桿狀芽孢桿菌基因(Bt基因)到玉米中,有效控制了這些作物對(duì)于害蟲的抵抗能力。這一基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)對(duì)特定害蟲有毒,但對(duì)人類和其他哺乳動(dòng)物是安全的。這不僅減少了農(nóng)藥的使用,降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

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左為轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米ND207,右為常規(guī)玉米。(圖片來源:中國農(nóng)業(yè)大學(xué))

此外,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),科研人員可以增加糧食作物中維生素、礦物質(zhì)和氨基酸等特定營養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)還能通過修改基因結(jié)構(gòu)來提高抗性淀粉和膳食纖維的含量,有助于控制血糖和改善人體消化系統(tǒng),使原來只是用于填飽肚子的糧食,有望變成真正的營養(yǎng)食品。

通過現(xiàn)代生物育種技術(shù),大豆、玉米這些糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)能夠躍上一個(gè)新的臺(tái)階。對(duì)于中國這樣一個(gè)人口眾多的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國而言,這場(chǎng)由生物育種技術(shù)引領(lǐng)的農(nóng)業(yè)革命,將對(duì)于整個(gè)國家的糧食安全形勢(shì)產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。

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