卢宝荣:保护生物多样性刻不容缓,为什么说种子是农业的“芯片”

作者:卢宝荣摄影: 视频: 来源:上观新闻 2021年10月15日发布时间:2021-10-16

在人类漫长的发展历史中,来自植物的粮食作物同样经历了人工驯化和基因变异的曲折历程。植物种子的驯化过程到底是怎么样的?为什么说种子是农业的“芯片”?我们该如何保护并发展其背后的基因资源?“造就TALK”是一个致力于“发现创造力”的演讲平台,请听复旦大学生命科学学院生态与进化生物学系卢宝荣教授在“造就TALK”上讲述种子的故事。

卢宝荣教授在演讲中

『植物驯化开启了文明的大门』

在历史的长河中,所有的生命都要完成两件事:第一,必须生存;第二,必须繁衍。俗话说,民以食为天。不只是人类以食为天,所有的生命都必须获取能量。如果没有能量,生命就不能生存下来、延续下去。

在远古的时候,人类为了生存和繁衍,顽强艰难地生活着,与所有的大型动物搏斗,想尽一切办法狩猎并抱团取暖。在1万年前,世界各大洲不约而同地出现了一个重要的里程碑事件,这个事件就是植物驯化。什么叫植物驯化?用简单的话来说,植物驯化就是人类通过干预将野生植物转变成栽培植物的过程。

可以说,植物驯化开启了人类文明的大门。而且,由于在不同地域、不同时间对不同植物进行驯化,因此也孕育了不同的文明。比如,古巴比伦文明是小麦和大麦支撑的文明,我们华夏文明是水稻和小米支撑的文明,而在墨西哥的古玛雅文化,则是由玉米支撑的文明。如果没有植物驯化,就不可能产生人类的文明。

在人类文明的进程中,植物驯化不仅造就了我们的主要粮食,更重要的是,它还造就了不同的文化。在中国,水稻属于吴越文化,小米属于中原文化。小麦是通过丝绸之路引入中国的,它代表着西域文化。所以,中国是一个多元文化荟萃的地方。

植物驯化的过程,不仅给我们带来了主粮,还给我们创造了食物的多样性,包括水果、蔬菜、坚果以及各种各样的调味品。

水稻的祖先叫作普通野生稻

『小米的祖先就是狗尾巴草』

浙江省余姚市有一个叫河姆渡的地方。在远古的时候,那里养育了一种非常重要的作物,它就是水稻。

水稻属于禾本科大家族。在禾本科中有一个小家族叫稻属,共有20多种野生稻,分布于世界各大洲。我们的祖先非常幸运地选中了一种野生稻,把它培育成了今天的栽培稻。目前,栽培稻的品种非常多,全世界约有15万种不同的水稻品种,资源非常丰富。

水稻的祖先叫作普通野生稻。野生植物有个重要特点,就是成熟以后种子会落到土壤里。这是为什么呢?因为野生植物的种子必须要自我繁殖。如果种子成熟了一直挂在枝头不落下来,它就不能繁殖。种子落到土里,才能够萌芽、生根,长成植株,开花结果。这对植物来说非常重要。但是,这对我们人类来说很不利,因为种子全都掉到土壤中,我们就没办法收获它。

非常巧的是,在很多很多的植株中,有那么一两个植株发生了基因突变,变成了种子成熟后不落粒。而我们的祖先把它们采集回去,种在家园附近。于是,这样的野生物种就慢慢地被驯化成了一种家养的栽培物种。

水稻是一种非常重要的粮食作物,也是中国对世界贡献很大的一个植物种类。水稻大约起源于1万年前,最早的野生稻没有几颗种子,在后来的驯化过程中,逐渐变成了今天这样硕果累累的水稻。水稻不仅给我们提供了主粮,还造就了水稻文化。我们用稻米制作出了各种各样的美食和饮品(如米酒),形成了独特的中华美食文化。稻的生产过程中,也衍生出许多汉字、词和成语,比如“精”和“粹”等等。与水稻有关的书画诗歌等艺术,更丰富了中国文化和人们的精神世界。

在植物驯化的过程中发生了很多意想不到的趣事。例如,我们今天吃的西瓜又大又甜,但野生的西瓜长得很小,里面有很多籽,味道很差;没有被驯化的香蕉,看起来有点像黄秋葵,吃起来很涩口;野生的胡萝卜更是没味道的根状物,不是今天橘红色、可口香甜的样子。

还比如,小米(也称粟米)的祖先就是我们现在常见的狗尾巴草。在驯化的过程中,狗尾巴草的体积增长了100多倍。它原先的种子很小,形状像梭子;现在的种子变得更大了,也更圆了。

小米是中华文明的历史长河中非常重要的一种作物。我们经常提到的“江山社稷”,“稷”就是指小米,可见小米在中国古代对于国家的安全稳定是多么重要。

还有,玉米的祖先叫大刍草,它的穗子(现在的玉米棒子)很小,整个穗子比人的小手指头还要细、还要短,每个穗子只能结57颗种子。但是,通过人类的驯化,它的雄性穗子变成了一根大大的玉米棒子,有小臂那么粗,达一尺多长,从只能结几颗种子变成了几百颗种子甚至上千颗种子。

狗尾巴草被驯化成小米,体积增长了100多倍

『基因资源到底有多重要』

在植物驯化的过程中,通过人类的培育,形成了各种各样的基因类型,我们称之为基因资源或种质资源。

所谓基因资源,其实是指包含在每一颗种子里的宝贵性状(如大粒、多粒和抗倒伏)和品质(如口感、营养和蛋白质含量)。基因资源到底有多重要?我们来分享两个关于基因的故事。

第一个故事涉及一种作物的“矮秆基因”,也被称为“绿色革命基因”。20世纪60年代初期,第二次世界大战结束不久,百废待兴,人口增长非常迅速,而粮食增长遇到了瓶颈。因为粮食增长跟不上人口增长,当时全球面临着严重的粮食短缺和饥饿的威胁。

这时候,以诺曼·布劳格(1914年—2009年,挪威裔美籍遗传学育种家)为代表的育种专家们想到了一个解决问题的办法。以前的农家作物品种都长得很高,能够采集到的种子很少,于是这群科学家就给作物引入了一个“矮秆基因”,把高个子植物变成矮个子。

把作物变成矮个子有什么好处?第一,如果作物的个子太高,风一吹就会倒,所以矮秆植物抗倒伏的能力比较强。第二,茎秆太高会造成粮食和草的比例分配不当,会生产出大量茎秆叶片(草)和少量种子(粮食),造成粮食(种子)的产量无法提高,而把高个子作物变成矮个子,可以改变这种状况。第三,作物的矮秆化可以增加“收获指数”,也就是收获的植物种子变多了,种子产量也就提高了。

由于这样一个小小的基因的改变,很多粮食作物的品种得到了改良,包括水稻、小麦和玉米等农作物,从而解决了全世界几十亿人口的吃饭问题。这个重要的贡献,也使诺曼·布劳格在1970年获得了诺贝尔和平奖。这个解救了全球无数饥饿人群的伟大创举,被称为“绿色革命”。

第二个故事是关于我国的杂交水稻。一提到杂交水稻,大家就会想到袁隆平先生。袁隆平和他的研究团队在20世纪60年代到底做了一件怎样具有突破性意义的大事?

他们把一个来自中国海南岛的普通野生稻植株中的雄性不育基因转移到了栽培稻上,使栽培稻具有雄性不育的性状。于是,形成了水稻的雄性不育系、雄性不育保持系、雄性不育恢复系这三个系统的配套,从而探索出杂交水稻的大规模制种方法,使水稻产量大幅度提高。这就是一个小小的雄性不育基因带来的杂交水稻革命。

在人类文明的历史中,有三个基因影响了禾谷类作物驯化和遗产改良的进程。第一个就是控制种子落粒性基因。落粒性基因的突变和无意识选择给人类带来了新的天地,也从此开启了人类文明的大门。第二个基因就是“绿色革命基因”,第三个基因则是中国杂交水稻的雄性不育基因。由此可见,基因资源在人类的生存、发展以及整个文明的进程中都起着非常重要的作用。正如“时代楷模”、复旦大学教授钟扬生前曾经说过的一句话:“一个基因可以给国家带来希望,一粒种子可以造福万千苍生。”

矮秆基因引发的“绿色革命”

『我们为什么要研究青稞』

在众多的粮食作物中,我特别喜欢的作物是青稞。

钟扬教授生前在西藏对青稞进行了大量的研究,他带领团队在最偏远、最荒凉、最艰苦的地方穿梭,收集了很多青稞种子。他不幸离世以后,我们接过了他的担子,继续研究。目前,复旦大学联合西藏大学、西藏农牧科学研究院的专家们共同研究青稞,希望通过挖掘它的基因资源来造福人类。

青稞是青藏高原上一种主要的粮食作物。大家知道什么是青稞吗?其实,青稞就是大麦。你也许会感觉有些吃惊,但青稞也是属于禾本科大家族中大麦属的作物。青稞有个特点,就是穗轴的节上并排长了3个小穗,我们把它们称为“三联小穗”。青稞和普通的大麦不一样,因为青稞在成熟的时候,它里面的种子可以离开外面的包被(也叫外稃和内稃),裸露在外。所以,很多人把青稞叫作“裸大麦”,它没有“衣服”、没有包被;而我们常见的大麦也被叫作“皮大麦”,因为它外面穿着一件“皮衣”。

青稞在西藏是非常重要的粮食作物,但是它现在面临着一些问题。比如,很多古老的农家品种消失了。因为缺乏保护,这些古老的农家品种渐渐被遗忘,农家品种中包含的基因资源也随之丧失。实际上,有些基因资源一旦丧失,将永远也找不回来。另外一个问题就是品种的退化。一些好的品种,比如紫色的青稞,具有营养丰富的特点,是传统品种中特别好吃的青稞类型。但是,可能因为长期忽略了它,也就退化了,紫色渐渐消退。所以,研究青稞,积极开展科技援藏、科教援藏,是非常有意义的事情。

最后,我想说,基因资源太重要了,它是培育优良种子的基础,关乎国家的生态安全,关乎我们的未来,是科技必争之地。种子是农业的“芯片”,我们必须保护好丰富的基因资源,同时依靠高科技提升育种技术和能力。只有这样,我们才能化解粮食安全可能带来的危机,才能把我们的饭碗牢牢地掌握在自己的手上,才能让社会实现永续发展,真正实现中华民族的伟大复兴。

制图:实习编辑:王风范责任编辑:李斯嘉

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