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通過基因和化石結合研究探尋水稻的起源

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通過基因和化石結合研究探尋水稻的起源


通過基因和化石結合研究探尋水稻的起源
（）據光明網-時評頻道（張田勘 科普專欄作家）：作為“綠色超級稻項目”的一部分，“全球3000份水稻核心種質資源重測序計劃”（3K–RG）于2011年9月由中國農業科學院、國際水稻研究所（IRRI）和華大基因共同啟動 。2014年5月 ， 3000份水稻基因組測序初始數據于“世界饑餓日”公開發布于美國國立生物技術信息中心（NCBI）、日本生物信息學數據庫（DDBJ）、華大基因大數據期刊（GigaScience）、阿里云等數據庫，全球共享 。
現在，3K-RG項目再獲新進展 。近日，國際頂級期刊《自然》（Nature）在線發表了綠色超級稻項目首席科學家、中國農業科學院作物科學研究所黎志康博士等人完成的最新成果，剖析了水稻核心種質的基因組遺傳多樣性，對水稻的起源、基因、分類和進化規律有了全新的更深入的認知 。
一個新的重大成果是重新奪回了中國對水稻命名的部分話語權 ， 恢復了歷史的真實 。1928年，日本學者加藤茂范通過雜交等手段發現了秈稻和粳稻的區別 。當時，加藤把秈稻稱為“印度型”（Oryza sativa L. subsp. indica Kato） ， 把日本栽培極廣的粳稻稱為“日本型”（Oryza sativa L. subsp. japonica Kato） 。自此，秈稻和粳稻在國際上就一直沿用“indica”和“japonica”命名至今 。
然而，中國科學家對代表了全球水稻種質約95%多樣性的核心種質的3010株水稻的基因組研究表明，這種命名并不符合實際情況，既是對秈、粳稻長久以來的誤稱，也不利于深入了解水稻的栽培歷史和機理 。
中國研究人員把過去研究的水稻品種由傳統的5個群體增加到9個，分別是東亞（中國）的秈稻、南亞的秈稻、東南亞的秈稻和現代秈稻品種等4個秈稻群體，東南亞的溫帶粳稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個粳稻群體 ， 以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻 。
根據研究結果，中國研究人員首次提出，水稻的秈、粳亞種是獨立的和多地起源 ， 要求恢復恢復使用秈（Oryza sativa subsp. xian）、粳（Oryza sativa subsp. geng）亞種的正確命名 。所謂恢復是指，中國人早在2000多年前的漢代就已提出秈、粳稻的分類和命名 。盡管這一正名受到加藤茂范等人過去命名的制約，但科研結果顯然更能說服重視證據的《自然》編輯及文章審稿人 。也因此，這一顛倒的歷史終于得到學術（科學）界的正名，為未來的國際社會正名奠定了基礎 。
中國研究人員對水稻起源研究的結果提出了一個重要的假說，即水稻的秈、粳亞種是獨立的和多地起源 。如同人類起源一直有著一地（非洲）起源和多地區起源的爭論一樣，水稻的起源也一直存在一地（中國）和多地區起源的爭論 。解決這種爭論當然要靠科學研究的證據 ， 而科學的證據主要在于實物（化石）和基因組兩類證據缺一不可的共同證明 。
在實物證據上，水稻的中國起源說一直有新證據 。最近，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的植物考古學家采用植硅體分析方法，在位于浙江省龍游縣的荷花山遺址中找到了距今1萬多年前野生稻存在以及逐漸被馴化的證據，從土壤剖面中提取的植硅體來自一些野生稻葉片和稻殼 。其中 ， 在稻葉的扇形植硅體上，可以清晰地看見一種變化的趨勢：年代越近，它們的數量越多、尺寸越大、魚鱗狀紋飾越多 。
據此，研究人員再次認定，水稻的起源和馴化是在中國的長江中下游地區 。水稻在中國推廣種植后，很快傳到東亞近鄰國家 。大約在3000多年前的殷周之交，中國水稻傳至朝鮮、日本 ， 南傳越南 。到了漢代，中國粳稻傳到菲律賓 。公元5世紀，水稻經伊朗傳到西亞，然后經非洲傳到歐洲、美洲以至全世界 。
不過，這只是由實物證據獲得的假說，并無基因組的證據支持 。現在，中國研究人員從基因組獲得的證據則提出，無論是秈、粳稻亞種都是獨立多地起源 。研究人員對來自全球的3010株水稻的基因組測序后，一共檢測到2900萬個高質量單核苷酸多態性（SNP，主要指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態性），240萬個小片段插入缺失 ， 首次發現亞洲栽培稻品種間中存在9萬個微細結構變異（包括易位、缺失、倒位和重復），同時發現了1.2萬個全長新基因和數千個不完整的新基因 。
研究人員再次挑選出453份測序深度較高的水稻樣本分析核心基因家族和分散式基因家族，獲得12770個（62.1%）核心基因家族和9050個（37.9%）分散式基因家族，從而得出秈、粳稻亞種都是獨立多地起源的假說 。
顯然，目前的基因組測序結論和實物（化石）結論有差異，因此需要未來對這兩種證據進行整合，同時補充證據，才能得出更可靠和令人信服的結論 。
中國研究人員的水稻基因組測序結果 ， 同時對提高和保證糧食安全起到了更為重要的加速作用 。3010份品種的基因組測序完成為育種專家提供了一種選種和栽培優良稻種的可視地圖，使其可以快速地選擇適合不同地理環境的品種，如耐淹、耐旱、抗蟲、抗倒伏等特性，不用再像以前一樣靠經驗、靠大量組合去試驗新品種 。
水稻基因組檢測結果也同樣能糾正以前的一些片面認知，如認為核心基因對產量、性狀、口味等很重要，而分散式基因不重要 。但基因測序發現恰恰相反，核心基因不重要，分散式基因才重要，通過基因數據庫就可以在短時間內確定哪些品種有什么特性 。
因此，從本質上看，基因組測序不僅能追溯水稻起源，更能糾正過去的錯誤認知，加速選種育種，滿足人們對水稻品種的多樣化需求 。