大米講述的 科學故事

如何確認大米的老祖宗?不同地區的大米廣泛「聯姻」後，會有什麼結果?誰控制著大米自身產量的高低?要想知道確切答案，請聽——

查基因查出了老祖宗

你知道人類所食用的大米，其老祖宗誕生在哪裡嗎?這個看似簡單的問題，千百年來其實一直沒有明確的答案。

要回答這個問題，目前有兩種最有說服力的辦法：其一是看哪裡出土的大米化石或相關的加工工具最古老，其二是通過基因圖譜進行排查，查它進化的最初源頭。很明顯，第一種方法有很大局限性，因為大米化石存在的可能性太小，即便發現了，也很難斷定它一定是大米的老祖宗;而第二種辦法就有說服力了，因為通過基因圖譜進行排查，不但脈絡清晰，而且有根有據。

前不久，中科院上海生科院的一個研究團隊就用第二種辦法，找到了大米老祖宗的出生地。研究團隊從全球不同地方選取了400多份普通野生水稻，對它們進行基因組鑒定，然後與先前的栽培稻基因組數據一起，構建出一張水稻全基因組遺傳變異的精細圖譜。

圖譜明確地告訴人們，廣西野生大米就是人類食用大米的老祖宗。相關的考古發現也支持這個結論，如在廣西隆安縣喬建鎮稻神山附近的貝丘遺址中，人們就發現了新石器時代早期的稻穀脫殼工具石磨盤和石磨棒，說明1萬多年前居住在這裡的人群已經掌握了稻作技術，是最早發明水稻人工栽培技術的人群。

被「聯姻」，被進化

大米自從實現人工種植以來，一直是最受人類喜愛的主食之一。所以一直以來，人們一直在圍繞增加它的單位面積產量做文章。於是，每一粒大米就包含了無數次進化的故事。

近百年來，人們發現，通過不同種類的水稻進行「聯姻」再「聯姻」——進行雜交育種，選拔優良的種子後代，是提高大米產量的重要捷徑之一。這種老辦法到了上世紀末和本世紀初，被我國科學家袁隆平運用到了爐火純青的境界。在實踐中，袁隆平成功研製了三個系列的雜交稻。通過這三個系列的稻的不斷組合「聯姻」，可以不斷選出優秀的有獨立繁殖能力的雜交稻，於是大米就獲得了不斷進化，產量也逐步提高了。

用這套雜交辦法，袁隆平在2011年指導培育出的「Y兩優2號」超級雜交稻試驗田，平均畝產926.6千克，創造了中國大面積水稻畝產最高紀錄，也幾乎是當今世界的最高紀錄。

袁隆平認為，現在水稻還都是半低稈的，株高僅約1.2米到1.3米。未來適當增加株高，是提高水稻產量的理想途徑，通過不斷實驗和改良，未來的超級雜交稻將達到1.8米甚至2米，長得像高粱一樣高，稻穗像掃帚，那時大米的產量不但大大提高，人們還可以坐在稻穀下乘涼呢。

破解控制產量的密碼

1996年，我國研究人員讓1000粒廣東水稻種子乘坐返回式衛星，在太空旅行了15天。經過幾年的培育，發現它們的第一代表現和"父輩"一樣，到了第二代，有的比"父輩"的產量高多了，有的卻變得很糟。科研人員挑出優者繼續培育，最後得到一個新品種「華航一號」，它的稈子和葉子都和正常水稻沒有區別，就是穗子特別長，超出普通稻穗的1/3，結粒很密，每畝產量最高達到了600千克，比一般大米產量高多了。這個事實表明，太空環境能誘發大米基因密碼發生改變，所以找到這些密碼，通過調控這些密碼，大米的進化過程就可以加快，產量還可以大幅度提高。

那麼，控制大米產量的密碼究竟是什麼呢?最近，我國復旦大學的研究人員對此進行了破譯。研究人員將具有高產性狀的江西東鄉野生稻與栽培稻「桂朝2號」進行雜交，最後將目標鎖定在第六代水稻2號染色體前端，其中共含500個基因。經詳細比對分析，不斷縮小範圍，終於發現其中LRK1—LRK8等8個基因組成的「基因家族」，是控制大米產量的真正密碼組，其中有3個密碼作用尤其關鍵。

在試驗中，研究人員把產量高的大米種子中這3個密碼移植到了產量低的種子中，結果產量低的種子後代產量立即提高了10%。科學家認為，這個事實無疑為通過基因改造手段提高大米產量，提供了新思路。

假如讓大米換一種方式「吃飯」

不過，科學家發現，提高大米產量的基因改變方法，除了圍繞控制大米產量的基因密碼做文章，還有另外一種富有想像力的方法。

先前的研究證實，大米所屬的水稻和小麥一樣，都是C3植物，而植物主要分C3和C4這兩大類植物：C3植物主要有小麥、水稻、大豆、棉花等大多數作物; C4植物主要有玉米、甘蔗、高粱等作物。這兩類植物的主要區別是「吃飯」能力——吸收二氧化碳的能力大小有所不同。相比之下，C3植物的吸收能力遠不如C4植物，所以這類植物無法更好地適應乾旱、強光照射、高溫和低氮環境。而造成這種能力差異的根本原因是，C3植物自身缺少C4植物所具有的一種能產生高效光合作用的特殊花環結構。因此一直以來，科學家都在幻想通過什麼辦法讓大米這種C3植物也擁有C4植物所擁有的特殊花環結構。如果美夢成真，那麼大米的產量就會增加50%。

為了實現這個夢想，美國康奈爾大學的研究人員最近就展開了深入研究，並取得了突破性進展，因為他們在C4植物中，發現了一種名為「稻草人」的基因密碼，這種基因密碼實際控制著那種特殊花環結構的發展變化。這項研究結果無疑為揭示整個花環結構的控制方式的奧秘，提供了重要線索。

科學家指出，通過基因工程，未來如果能讓大米所屬的水稻擁有C4植物的特殊花環結構，讓它們換一種方式「吃飯」，那麼大米的產量不但會大幅提高，其抗炎熱、乾燥和適應貧瘠土壤的能力也會大幅提高。

隨著人類科技的不斷進步，大米還會向人們講述更多的關於它們發展壯大的科學故事。

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