Science 重磅研究!一项历时百年的实验揭示植物的“生存之道”

学术   2024-07-14 17:37   法国  

2024年7月12日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)发表了美国加州大学河滨分校Daniel Koenig团队的最新研究成果,题为Natural selection drives emergent genetic homogeneity in a century-scale experiment with barley的研究论文。利用世界上最早期的生物学实验之一(始于1929年的实验),科研人员揭示了主要作物大麦如何受到农业压力和不断变化的自然环境的影响。这一发现强调了长期研究在理解适应性进化的动态过程中的重要性。

在不同环境中种植后的植物生存是快速适应性进化的一个典型例子。例如,大麦,一种重要的新石器时代作物,在大约1万年前驯化后广泛传播,仅用了几千代的时间就成为欧洲、亚洲和北非人类和牲畜的主要营养来源。这种迅速扩张和栽培使该植物受到了强烈的自然选择压力,包括对所需性状的人工选择以及为了适应各种新环境而被迫进行的自然选择。

尽管之前关于早期大麦品种的研究已经确定了部分植物种群的遗传历史,并且映射出了促进其扩散的基因位点,但如果没有直接观察,这些过程的速度和整体动态则难以确定。利用世界上最古老、历时最长的进化实验之一:大麦复合杂交IICCII),论文第一作者美国加州大学河滨分校Jacob Landis及其同事观察了近一个世纪以来大麦的本地适应过程。CCII是一项始于1929年的多代共同园艺实验,旨在将由28个大麦品种组成的遗传多样性群体适应加利福尼亚州戴维斯的环境条件。尽管实验开始时有数千种基因型,但Landis等人表明,自然选择极大地减少了这种多样性,几乎消除了所有创始基因型,导致单一克隆系谱占据大部分种群。这种转变发生得非常迅速,在第50代时克隆系就已经建立起来。

在CCII中的快速适应。科研人员利用了一个长期的进化实验,在上个世纪的时间里竞争了数千种重组大麦,以理解在真实世界环境中适应性的基因组和表型基础。

根据他们的发现,这一成功系谱主要由源自类似地中海环境的等位基因组成,如戴维斯的环境。此外,作者们展示了被选择的基因表明气候在适应过程中扮演着主要角色,包括对生殖时间的强烈选择。科研人员发现了大量证据表明,本地适应主导了这个实验中的进化。然而,尽管CCII在早期迅速提高了产量,但进化的育种方法未能跟上基于家系的育种方法所观察到的增益速度,未来将非常有兴趣了解为什么在本地适应中产生的最具竞争力的基因型不一定具有最高的产量

这项研究不仅提供了对大麦适应性进化的深入理解,还为作物改良策略提供了启示,特别是在面对全球气候变化的挑战时。通过识别出哪些基因和等位基因对特定环境条件的适应至关重要,科研人员可以更有效地培育出能在未来环境下茁壮成长的作物品种。

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