作物遗传育种研究进展Ⅰ.作物驯化

(湖南农业大学，长沙 410128)

任何作物都经历着由野生植物采收、栽培、驯化、育种的逐步发展过程。驯化是把野生植物培育成栽培植物的过程。

植物由野生状态变为栽培状态，所处的生态条件发生了显著改变。生态条件的变化自动地导致选择压的显著改变，在野生条件下重要的性状，在新的环境里丧失了优势，在新的环境里会自动选择适应的新性状。因此，在栽培条件下，人为有意识选择和无意识选择均在发挥作用。有意识选择包括：(1)不落粒，丧失自然扩散机制；(2)种子均一，快速萌发；(3)繁殖体(种子)变大(大粒)；(4)同时成熟；(5)丧失机械保护机制(如刺毛)；(6)果实、种子颜色改变，导致营养价值提高，出苗和苗期长势弱；(7)丧失苦味或有毒物质。无意识选择(自动选择)是没有人为干扰的作用，主要表现在三个方面：(1)繁殖方式：种子繁殖还是营养繁殖；(2)收获的器官：繁殖器官还是营养器官；(3)耕种收获的影响(子粒作物形成驯化症状群)和园艺环境对果树的影响[1]。

动植物驯化是人类第一次产业革命开始的标志。第一批植物驯化距今已有12 000年左右，但是这个过程从未中断，至今仍不断发现野生植物的可利用价值，被驯化为新作物[2,3]。了解作物的驯化过程和机制，不仅能揭示作物的进化过程，而且有助于加快新作物的驯化。由于家系QTL定位、自然群体关联分析、基因组重测序和选择签名(selection signature)筛选、反向遗传学和候选基因分析方法等长足进步[4]，近十年有关作物驯化的研究成为了一个热点，并取得了显著进展。

1 作物驯化的模式和遗传效应

作物驯化是在植物栽培之后发生的，是一个逐步的不断试错的过程，是一个漫长的渐进过程，可能经历数百代。Meyer & Purugganan[5]把这个过程分为4个时期，即：驯化起始期(第1阶段)、有利等位基因频率提高期(第2阶段)、适应当地新环境的栽培群体形成期(第3阶段)和有计划育种期(第4阶段)。其中只有第1阶段属于驯化(domestication)，这一过程大约持续了2 000年，使得作物在进化上不同于野生祖先种，而第2到第4阶段属于多样化(diversification)阶段，使得作物品种在产量、适应性和品质上得以显著改良(表1)。但也有人认为这种分类是模糊的[6]。

不同作物的驯化可能经历不同路径。传统认为作物是单次驯化的结果，野生种与驯化种有大的生殖隔离。但随着考古研究的深入和分子数据的增加，对更多作物的进化史有了更多了解，发现作物驯化还存在其他模式。原先认为是单次驯化的作物如水稻、玉米、小麦、珍珠粟等作物在驯化过程中实际上导入了野生亲缘种的基因；大麦、高粱等作物是由一个野生种在不同地方、不同时间点经过多次驯化而来；花生、草莓等作物是由种间杂交后营养繁殖驯化而来[5]。

人们在驯化作物时，一般是选择当地原产植物，且只是利用个别或少部分野生植株进行驯化，因而造成遗传多样性降低(驯化瓶颈效应，图1)和遗传漂移发生，如玉米adh1和glb1两个中性位点分别只保留玉蜀黍86%和60%的遗传多样性。再如，向日葵在驯化和改良时492个位点有36个位点成了选择目标，并且像玉米一样，这些基因明显聚集在一块。这也说明驯化只改变了作物基因组的某些热点区域(genetic hotspot)，在一定程度上是可以预测的。

在作物驯化过程中选择了对人类有利的性状。在这个选择过程中，控制目标性状的靶标基因经历了选择性清除(selective sweep)，只保留有利等位基因，与靶标基因紧密连锁的基因也可能经历同样选择而保留下来，从而产生搭车效应(或叫选择牵连效应，图1)。如玉米10号染色体有1.1 Mb、15个以上基因由于选择丧失了遗传多样性，与靶标基因的来源一致。

2 作物驯化的影响因素[7]

(1)交配方式。自交植物更易被驯化，在驯化时多样性丧失最多。驯化因定向选择和异交衰退增加自交率，使植物由异交进化为自交，在栽培禾谷类植物中自花授粉植物比例高于异花授粉植物。自交植物多样性丧失，更容易被驯化。

(3)是否出现遗传瓶颈。在驯化时由于选择和自交会导致多样性丧失(遗传瓶颈效应)，驯化后由于基因突变或(通过花粉)基因交流(gene flow)、天然杂交又会产生或重新导入遗传多样性。由于突变表型每代可改变0.1%～1%。

(4)选择强度。

(5)基因交流速率。

(6)遗传结构(genetic architecture, 少数主效位点)。

(7)靶标基因间的连锁关系。驯化时由于强烈选择作用，使目的基因附近10～100 kb范围受到影响。

作物驯化程度反映在表型分化、种植区域大小、栽培历史、遗传改造程度(如种间杂交、多倍化)和育种改良程度等方面。

表1 作物驯化(第1阶段)和多样化(第2到第4阶段)过程经常发生的性状变化[5]

3 作物驯化对性状的影响

驯化使作物适应栽培环境，生长习性和植株形态等诸多方面发生显著改变，如蜀黍驯化为玉米，短日照、多分枝变为日中性、单秆；一粒小麦、大麦和水稻等禾本科作物在驯化时先增加籽粒大小和改变形状，再驯化不落粒性。刺菜蓟、菊芋由同一种二倍体植物驯化而来，起源于地中海，栽培上菊芋采用营养繁殖，刺菜蓟采用种子繁殖。同一种植物经同时对不同性状进行选择形成了2种作物：菊芋主要是大的花序，刺菜蓟主要是肉质茎和叶柄。菊芋可能在西西里(Sicily)驯化，但刺菜蓟起源于地中海西部，可能在西班牙和法国境内驯化。前者春季、秋季开花，后者只春季开花。植物在驯化过程中发生的变化，称为驯化群性状(表1)。

作物驯化的结果，一是使驯化植物丧失了在野外生存的能力，向逐渐适应栽培环境、符合人类需要的方向发展；二是使不同作物产生相同或相似的驯化性状[6]。

4 作物驯化的分子机制

作物驯化后表型与野生祖先种发生了显著改变，控制这种表型改变的靶标基因叫做驯化基因。驯化基因应满足三个条件：(1)其功能已经鉴定并已知其控制的性状；(2)有证据表明对其实施了正向选择；(3)至少有一次突变在某次驯化的所有后代中完全或近乎完全固定下来。Meyer & Purugganan[5]统计了60个驯化有关基因，结果只有23个是驯化基因，另有5个既是驯化基因，又是多样化基因，32个是多样化基因。在这60个基因中37个编码转录因子基因，14个编码酶，6个编码转运蛋白和泛素连接酶，说明有些基因更可能成为驯化的靶标。转录因子基因(如AG基因)能整合上游基因、调控下游基因，一旦突变会导致多个性状的变化(一因多效)。这类基因往往是驯化起始期(第1阶段)的靶标基因[8]，如水稻驯化之初改变水稻祖先的野草特征涉及的落粒性、种子休眠和株型等性状的基因多是转录因子基因[9]。如果这种转录因子基因(如MYB基因)的表达具有组织特异性，受影响的性状就会减少到最低[6]。编码酶的基因只影响代谢途径的一个反应，其突变只改变一个性状，在不同作物中容易出现平行突变，如Waxy基因在许多禾谷类作物中发生了突变，形成糯性籽粒。

驯化基因绝大多数是核苷酸突变。在上述60个基因中，38个出现了移码或提前终止，导致基因没有功能，26个顺式调控区突变，导致基因表达改变，且许多基因在几个区域发生突变。但也发现染色体水平、基因水平的突变，如高粱SH1基因启动子发生了序列删除，玉米Sh1-5.1基因外显子3后有一段未知序列(易位)、tb1基因顺式调控区有转座子插入、m19基因拷贝数不同，因此可以说作物驯化是建立在自然发生的不同水平、不同类型突变的基础之上[4]。

5 作物驯化中心

人类在12 000年前的新石器时代即开始作物驯化。据估计有2 500种植物经历过驯化，250种植物已完全驯化[5]。1940年，Vavilov根据作物遗传多样性鉴定出7个作物初生驯化中心，到21世纪又发现南美热带雨林、东南亚和北美东部等驯化中心，使世界上主要作物驯化中心增加到10个：中国、南亚、西南亚(即新月沃地)、地中海、埃塞俄比亚、大墨西哥(greater Mexico)、安梯斯山脉(the Andes)、北美东部、新几内亚和亚马孙盆地[10]。Purugganan & Fuller[11]将分子遗传研究结果与考古证据相结合，认为作物驯化中心有13个，即：

1.北美东部 (Chenopodiumberlandieri,Ivaannua,Helianthusannuus, 距今4 500～4 000年)；

2.中美洲(Cucurbitapepo, 距今10 000年;Zeamays, 距今9 000～7 000年)；

2a.南美北部低地地区(Cucurbitamoschata,Ipomoeabatatas,Phaseolusvulgaris,林木, 距今9 000～8 000年)；

3.安第斯山脉中部中海拔地区(Chenopodiumquinoa,Amaranthuscaudatus, 距今5 000年)；

3a. 安第斯山脉中北部中、高海拔地区 (Solanumtuberosum,Oxalistuberosa,Chenopodiumpallidicaule, 距今8 000年)；

3b. 亚马孙流域南部低地地区 (Manihotesculenta,Arachishypogaea, 距今8 000年);

3c. 厄瓜多尔和秘鲁西北部(Phaseoluslunatus,Canavaliaplagiosperma,Cucurbitaecuadorensis, 距今10 000年; 3c与3、3a和3b中心是否独立存在疑问)；

4. 西非撒哈拉沙漠以南地区(Pennisetumglaucum, 距今4 500年)；

图1 作物驯化的遗传效应[4]注：不同颜色的点代表野生祖先和驯化作物群体中整个染色体上基因中性等位基因的多样性程度。当野生祖先种中只有一部分植株成为驯化作物的先驱时，显著发生遗传漂移，预期导致全基因组的遗传多样性降低。相反，选择只是差别性地降低控制受到选择的性状的特定基因遗传多样性降低。随着有利等位基因达到较高频率，靶标基因内及其附近存在的许多遗传变异将从群体中消除，从而留下选择的分子痕迹。

4a. 西非草原和林地地区(Vignaunguiculata, 距今3 700年;Digitariaexilis,Oryzaglaberrima, <3 000年)；

4b. 西非热带雨林地区 (Dioscorearotundata,Elaeisguineensis, 很少记述)；

5. 非洲苏丹东部 (Sorghumbicolor, >4 000年?)；

6. 东非高原 (Eragrostistef,Eleusinecoracana, 距今4 000年?) 及低地菜园区(Dioscoreacayenensis,Enseteventricosum, 很少记述)；

7. 近东地区(Hordeumvulgare,Triticumspp.,Lensculinaris,Pisumsativum,Cicerarietinum,Viciafaba, 距今13 000～10 000年)；

7a. 新月沃地东部(其余Hordeumvulgare)；

8a. 印度古吉拉特邦(Panicumsumatrense,Vignamungo, 距今5 000年?)；

8b. 印度河上游地区(Panicumsumatrense,Vignaradiata,Vignaaconitifolia, 距今5 000年)；

8c. 恒河流域(Oryzasativasubsp.indica, 距今8 500～4 500年)；

8d. 印度南部地区(Brachiariaramosa,Vignaradiata,Macrotylomauniflorum, 距今5 000～4 000年)；

9. 东喜马拉雅山脉和云贵高原(Fagopyrumesculentum, 距今5 000年?)；

10. 中国北部 (Setariaitalica,Panicummiliaceum, 距今8 000年;Glycinemax, 距今4 500年?)；

11. 日本北海道南部地区(Echinochloacrusgalli, 距今4 500年)；

12. 中国长江流域(Oryzasativasubsp.japonica, 距今9 000～6 000年)； 12a. 中国南部 (Colocasia,Coixlachryma-jobi, 很少记述, 距今4 500年?)；

13. 新几内亚和印度尼西亚苏拉威斯以东地区(Colocasiaesculenta,Dioscoreaesculenta,Musaacuminata, 距今7 000年)。

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