作物的從頭馴化：原理、進(jìn)展及挑戰(zhàn)
——以野生植物沙米的馴化為例

馬小飛，燕 霞，錢朝菊，朱新宇

（1.南通大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 甘肅省寒區(qū)旱區(qū)逆境生理與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

植物的引種馴化歷史可以追溯至新石器時(shí)代，人類逐漸學(xué)會(huì)生產(chǎn)食物代替搜集食物，慢慢使得農(nóng)業(yè)出現(xiàn)并發(fā)展，并促進(jìn)了多元文化的興起。植物的引種馴化不僅與古文明史的誕生和發(fā)展息息相關(guān)，還對(duì)人類社會(huì)精神文明和物質(zhì)文明的進(jìn)步及人類的發(fā)展有著不可替代而深遠(yuǎn)的影響?，F(xiàn)存已知的40多萬(wàn)種植物中，被成功馴化的作物尚不超過(guò)100種，而且僅有15 種成為主要的糧食作物，其中水稻、小麥和玉米等三大作物占比高達(dá)50%。有研究表明，受氣候變化的影響，全球的玉米、水稻、小麥和大豆等主要作物的總產(chǎn)量每年約減產(chǎn)三分之一[1]。傳統(tǒng)作物的隨機(jī)性馴化使得其遺傳多樣性遠(yuǎn)低于野生祖先種[2]，導(dǎo)致作物對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力較差。自21 世紀(jì)以來(lái)，世界人口急劇增加，氣候變化劇烈，對(duì)糧食及其多樣性的需求也與日俱增。為了改善這種現(xiàn)狀，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織在《應(yīng)對(duì)氣候變化：糧食和農(nóng)業(yè)遺傳資源的作用》中指出，養(yǎng)活世界日益增長(zhǎng)的人口需要適應(yīng)力更強(qiáng)的糧食原料，要篩選和馴化能夠適應(yīng)氣候變化的小作物和野生物種，同時(shí)要大力保護(hù)遺傳多樣性，從而增強(qiáng)農(nóng)作物對(duì)氣候變化的適應(yīng)性，進(jìn)一步完善植物遺傳資源基因庫(kù)[3]。

1 作物的馴化理論發(fā)展

我國(guó)是植物引種馴化理論研究最早的國(guó)家之一。早在春秋時(shí)期，就出現(xiàn)“土宜論”，認(rèn)為不同的農(nóng)作物生長(zhǎng)需要不同的土壤條件；在此理論基礎(chǔ)之上，西漢后期的《氾勝之書》加入了適時(shí)播種、適時(shí)施肥、適時(shí)灌溉、適時(shí)收獲等內(nèi)容，進(jìn)而發(fā)展成“風(fēng)土論”。這兩個(gè)理論雖然只考慮了環(huán)境因子對(duì)作物馴化的影響而忽略了植物本身對(duì)外界環(huán)境因子的適應(yīng)性潛能和適應(yīng)性進(jìn)化，但是對(duì)我國(guó)古代的作物馴化依然起到了積極有效的指導(dǎo)和推進(jìn)作用。在北魏和明代時(shí)期，人們開(kāi)始意識(shí)到“風(fēng)土論”的局限性，并在《農(nóng)政全書》中強(qiáng)調(diào)了人為因素的重要性，即通過(guò)人為努力改造植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，該理論逐漸發(fā)展成“排風(fēng)論”。這個(gè)時(shí)期是我國(guó)古代作物馴化理論研究的一個(gè)高峰期[4]。

國(guó)際上對(duì)作物馴化一直存在不同的見(jiàn)解和看法。直到19 世紀(jì)，英國(guó)人達(dá)爾文在《物種起源》中提出，物種變異的普遍性和遺傳性是馴化的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，人們根據(jù)喜好去劣存優(yōu)，使其按照人類預(yù)期的進(jìn)化方向發(fā)展。該理論為后期的馴化實(shí)踐提供了不可或缺的理論依據(jù)[5]。20 世紀(jì)以來(lái)，一些學(xué)者又陸續(xù)提出“氣候相似論”“風(fēng)土馴化學(xué)說(shuō)”“植物地理學(xué)差率法”“栽培植物起源中心論”“生態(tài)因子季節(jié)節(jié)律同步論”“因素論”“生態(tài)綜合分析法”等相關(guān)的作物馴化理論，極大地促進(jìn)和推動(dòng)了植物的引種馴化實(shí)踐以及農(nóng)業(yè)文明的發(fā)展[4，6-12]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、馴化理論研究的不斷深入和完善，人們普遍認(rèn)為馴化主要是以進(jìn)化論、遺傳學(xué)及生態(tài)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科為理論依據(jù)，輔以植物學(xué)、育種學(xué)、植物生理學(xué)、植物地理學(xué)及植物栽培學(xué)等其他分支學(xué)科[13]。

所謂植物的從頭馴化（de novo domestication），就是根據(jù)人類的自身需求，通過(guò)對(duì)優(yōu)良性狀關(guān)鍵基因的馴化，在較短時(shí)間內(nèi)將自然界中的野生植物物種轉(zhuǎn)變?yōu)榧茵B(yǎng)品種的過(guò)程[14]。與傳統(tǒng)馴化相比，從頭馴化在時(shí)間上大大縮短了植物的馴化歷程，傳統(tǒng)馴化與從頭馴化的比較見(jiàn)表1。通常，野生植物物種是否馴化成功都會(huì)依賴于人工種植收獲過(guò)程中的某類或幾類關(guān)鍵性狀指標(biāo)，例如在小麥、大麥和水稻等谷類作物中的不落粒性和種子休眠等[15-23]。在全球氣候變化和人口快速增長(zhǎng)的背景下，對(duì)作物的氣候適應(yīng)性及營(yíng)養(yǎng)多樣性的需求逐漸加大，特別是最近幾十年隨著傳統(tǒng)作物馴化綜合征基因的定位，基因組測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，以及進(jìn)化理論的完善，植物遺傳學(xué)家對(duì)野生植物的從頭馴化熱情受到了極大鼓舞。

表1 傳統(tǒng)馴化與從頭馴化的比較Tab.1 Comparison of traditional domestication and de novo domestication

2 作物從頭馴化的進(jìn)展及挑戰(zhàn)

盡管馴化通常被描述為人類意圖明確的選育結(jié)果，是人類在自然選擇的基礎(chǔ)上強(qiáng)化了定向馴化的能力[7-8]，但是馴化是人類、環(huán)境、植物和動(dòng)物之間連續(xù)不斷地相互作用的復(fù)雜過(guò)程的結(jié)果。該過(guò)程通常受到生態(tài)、生物本身、生物多樣性以及人類文化等多方面因素的驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程[9-10]。傳統(tǒng)的引種馴化效率常常會(huì)受到基因與環(huán)境間的相互作用（gene-by-environment）以及基因與基因間的相互作用（gene-by-gene）影響而降低[11]。此外，早期的選種馴化僅發(fā)生在較小的群體范圍內(nèi)，性狀的選擇范圍有限，由于受基因流、遺傳漂變等遺傳因素以及種植技術(shù)和氣候變化等因素的影響，植物馴化的不確定性和馴化所需的時(shí)間大大增加。例如，僅一個(gè)谷類作物關(guān)鍵馴化指標(biāo)——不落粒性，在小麥、大麥和水稻中的馴化歷史長(zhǎng)達(dá)2 000～4 000 年[12]。這種漫長(zhǎng)的馴化周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代日益增長(zhǎng)的人口和營(yíng)養(yǎng)多樣性對(duì)馴化作物的需求。另外，在人類長(zhǎng)期的定向選擇作用下，雖然高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等性狀的有益變異在基因組中被固定下來(lái)，但是與野生種相比，由于受基因間共表達(dá)關(guān)系等效應(yīng)的影響，馴化作物的遺傳多樣性和對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性大量丟失，嚴(yán)重阻礙了植物資源的多樣性保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展[15]。

近幾十年，隨著植物基因組的深入挖掘，人類陸續(xù)鑒定出作物馴化過(guò)程中一些重要的馴化基因，例如水稻、大豆和番茄的種子休眠基因Sdr4、OsG、G、SolyG[17-18]，番茄果實(shí)大小基因SUN、fasciated、fw2.2[19-21]等。這些被挖掘出的馴化基因，通過(guò)基因工程技術(shù)手段，在野生種或是半馴化作物種中經(jīng)過(guò)人工修飾用以調(diào)控關(guān)鍵的農(nóng)藝性狀，這樣，在短短20代內(nèi)就可以獲得抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高、品質(zhì)好、性狀穩(wěn)定的作物新種質(zhì)。這就是基于基因編輯技術(shù)的從頭馴化。目前該方法已成功運(yùn)用于野生番茄等野生植物的從頭馴化和作物的遺傳改良工作中，逐漸成為作物馴化和分子輔助遺傳育種的主流方式[22-25]。雖然該方法大大提高了野生植物到栽培作物的馴化時(shí)間，見(jiàn)效快，但是只能基于個(gè)體或是較小群體水平。在新品種大面積推廣時(shí)，往往會(huì)受局域適應(yīng)性等因素影響使得農(nóng)藝性狀無(wú)法達(dá)到預(yù)期水平。而且在種植時(shí)，基于基因編輯技術(shù)改造的作物品種（暫歸于轉(zhuǎn)基因作物）還存在不確定性農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)[26]。目前，轉(zhuǎn)基因作物及其加工食品尚不能被大眾廣泛接受[27]。

如何解決傳統(tǒng)人工選育的高耗時(shí)、低適應(yīng)性以及基因編輯技術(shù)所帶來(lái)的轉(zhuǎn)基因恐慌等問(wèn)題，是從頭馴化過(guò)程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題。本課題組通過(guò)廣泛的群體基因型收集并通過(guò)同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)在大的有效群體中進(jìn)行規(guī)范化種植、品種的選育、優(yōu)良性狀基因型間的雜交、分子標(biāo)記技術(shù)確定品種的穩(wěn)定性，總結(jié)出一套新的適合野生植物從頭馴化的技術(shù)方法。該方法不僅比傳統(tǒng)的人工選擇育種大大節(jié)省時(shí)間，而且有效規(guī)避了轉(zhuǎn)基因作物市場(chǎng)推廣的問(wèn)題。目前通過(guò)該方法，已經(jīng)選育出數(shù)個(gè)適宜沙米馴化的品種（如圖1 所示）。

圖1 沙米從頭馴化策略示意圖Fig.1 Schematic diagram of A.squarrosum′s de novo domestication strategy

3 基于群體遺傳學(xué)的沙米從頭馴化

在我國(guó)，西北溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積約占國(guó)土面積的六分之一[28-29]，雖然生長(zhǎng)在荒漠中的植被種類稀少且密度稀疏，但是在荒漠化土地防治和溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性維持中起著關(guān)鍵作用。并且，由于長(zhǎng)期適應(yīng)干旱、高溫、營(yíng)養(yǎng)貧瘠等極端惡劣的荒漠生境，荒漠植物基因組中積累了大量寶貴的抗逆遺傳資源[30]，改造或馴化能夠適應(yīng)這些極端生境的糧食和能源作物，已然成為生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的有效途徑之一[31-32]。此外，西北地區(qū)由于其得天獨(dú)厚的地理和氣候優(yōu)勢(shì)而孕育了豐富的藥食同源植物，例如沙米等，但是對(duì)于沙漠藥食同源植物的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求。西北溫帶沙漠擁有廣袤的種植基地，是開(kāi)展藥食同源植物有機(jī)種植的最佳土地資源。同時(shí)，沙漠地區(qū)也是我國(guó)生態(tài)建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，開(kāi)展荒漠植物的從頭馴化工作和合理開(kāi)發(fā)應(yīng)用，不僅可以促進(jìn)我國(guó)西北荒漠區(qū)的生態(tài)恢復(fù)，還可以帶動(dòng)西北荒漠區(qū)的綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3.1 沙米簡(jiǎn)介

沙米學(xué)名沙蓬（Agriophyllum squarrosum（L.）Moq.），又名吉刺兒[蒙語(yǔ)]、蒺藜梗，是廣泛分布于我國(guó)及中亞干旱-半干旱區(qū)流動(dòng)沙丘的一年生先鋒植物。作為沙蓬屬（Agriophyllum）中分布最為廣泛的一個(gè)種（http://www.eflora.cn/sp/Agriophyllum），沙米的生態(tài)適應(yīng)性范圍極廣，在我國(guó)北方年降雨量為50～400 mm 和年平均溫度為-1～10 ℃的各大沙漠以及沙地的貧瘠土壤上很常見(jiàn)[33]，具有卓越的耐熱和抗干旱能力，對(duì)全球氣候變暖所帶來(lái)的水熱變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[34]，是防沙治沙的先鋒物種和沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中的首要建群植物[35-37]，更是沙漠貧瘠土壤中最重要的碳、氮等營(yíng)養(yǎng)流的來(lái)源[38]。此外，沙米還具有豐富的地下種子庫(kù)，在5—6 月期間遇適當(dāng)降雨后便可迅速發(fā)芽，生長(zhǎng)周期較短，通常10 月份即可成熟，并且其枯萎的枝葉依然殘留在地表2～3 個(gè)生長(zhǎng)季。單株立枯沙米至少可降低90%風(fēng)速，能夠有效阻擋風(fēng)沙流形成沙舌，具有明顯的防風(fēng)固沙能力[35-36]。

除此之外，沙米還具有極高的營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值。沙米種子至少有1 300 年的悠久食用歷史。早在唐代就成為了軍隊(duì)的供給糧，后期一度成為救荒植物[39]。沙米種子營(yíng)養(yǎng)豐富，約含蛋白質(zhì)23%、脂肪酸10%、碳水化合物45%，籽粒營(yíng)養(yǎng)豐富全面，可以與“太空糧食”藜麥媲美[40]。相對(duì)于水稻和小麥等傳統(tǒng)主要糧食作物，沙米種子中碳水化合物含量低（僅45%）不飽和脂肪酸含量高（9%），富含蛋白質(zhì)（23%）和纖維素（8%），而且所含人體必需的8 種氨基酸比例與聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦比例幾乎完美吻合，是一種天然的高級(jí)營(yíng)養(yǎng)食品[41]，具有作為綠色食物開(kāi)發(fā)的巨大潛力。中醫(yī)認(rèn)為沙米種子可作為減肥人群的主食選擇，是糖尿病、心腦血管疾病、腎臟功能減退病人的理想食品[42-44]。目前在西北地區(qū)的美食中，沙米涼粉、沙米饃饃、沙米珍子面、沙米撒飯等深受人們的喜愛(ài)。另一方面，沙米植株的干燥地上部分可以入藥，是蒙藥的傳統(tǒng)常用藥材。作為特色蒙藥資源，沙米植株具有祛疫、清熱、解毒、利尿之功能[43]。用其煮散劑或入丸散可治療瘟疫、頭痛、赤目、黃疸、腎熱、尿道灼痛、胃“赫依”、口舌生瘡、齒齦潰爛等癥[44]。同時(shí)沙米還含有豐富的抗氧化、抗腫瘤、抗炎、抗菌、降血壓、降血脂和保護(hù)心腦血管等功能化合物[42]。研究表明，沙米粗寡糖對(duì)糖尿病，肝、腎損傷有良好的抑制作用或延緩病情惡化的作用，且能降低血糖、調(diào)節(jié)血脂和增加胰島素敏感性[45-46]。沙米全草含有較多藥理活性強(qiáng)的物質(zhì)[47]，如：生物堿類化合物可撲熱息痛，具有抗炎、解熱和鎮(zhèn)痛作用；紫羅蘭酮具有抗炎、抗氧化和化學(xué)防癌的作用；水楊苷具有解熱、鎮(zhèn)痛以及昆蟲(chóng)據(jù)食性作用；黃酮類物質(zhì)及其苷類化合物具有較強(qiáng)的降血糖作用[48]。雖然沙米被列入《中國(guó)藥用植物》名錄，但是由于沙米獨(dú)特的地理分布使得人們對(duì)沙米的關(guān)注度和整體認(rèn)識(shí)較低，制約了沙米作為藥食兼用植物在現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展以及育種專家對(duì)其的認(rèn)知，沙米的馴化工作目前也僅限于西北地區(qū)相關(guān)的科研工作者之間。

3.2 沙米的自然分布區(qū)

分布區(qū)調(diào)查結(jié)果顯示沙米的生境范圍很廣，在塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫(kù)姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達(dá)木盆地、雅江河谷、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地、庫(kù)布齊沙地、科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地等全國(guó)各大沙漠均有分布。自2013 年起，根據(jù)中國(guó)各標(biāo)本館、地方植物志的標(biāo)本記錄以及野外實(shí)地考察標(biāo)記的我國(guó)沙漠/沙地沙米的自然分布區(qū)記錄，本課題組進(jìn)行了沙米野外資源調(diào)查以及種質(zhì)資源的采集。目前本課題組收集的沙米基因型達(dá)1 000 多個(gè)，囊括我國(guó)西北部各大沙漠和沙地群體，為沙米的優(yōu)良性狀選擇提供了充足的樣本。

3.3 沙米的表型多樣性及馴化性狀的確定

植物的表型變異是遺傳變異與環(huán)境異質(zhì)性共同作用的結(jié)果，也是作物馴化過(guò)程中性狀篩選的首要依據(jù)之一。通過(guò)同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)（common garden experiment）將原先在不同生境居群的個(gè)體引種并栽植在同一園地，讓其保持生境一致，可以剔除環(huán)境不均一性造成的表型變異中的居群內(nèi)個(gè)體差異或居群間差異（環(huán)境飾變作用），從而可以單獨(dú)考察遺傳因素對(duì)表型的效應(yīng)。通過(guò)多年的摸索，我們已經(jīng)制定出一套適宜沙地的沙米規(guī)?；N植技術(shù)體系，不僅可以用于同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)，更適用于沙田大范圍種植。

前期，通過(guò)對(duì)采集自不同種源的26 個(gè)沙米群體的表型特征和生殖策略的調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析了包括植株高度、莖直徑、基部分枝長(zhǎng)、地上生物量、收獲種子重量和種子粒徑等重要生態(tài)農(nóng)藝性狀的變異模式[49]，結(jié)果如圖2 所示。研究發(fā)現(xiàn)，南部群體的地上生物量較高，適宜于沙米作為牧草等的馴化，而東北的沙米群體其籽粒粒徑和千粒重均顯著大于南部的群體，但是生物量則較低，適宜于沙米作為食用作物的馴化；另一方面，與東北的沙米群體相比，南部群體的表型多樣性更高，具有較高的種源異質(zhì)性，為沙米的從頭馴化提供了多樣的表型性狀，可根據(jù)相應(yīng)的馴化目的選擇適宜的馴化類群[49]。

圖2 沙米種群表型多態(tài)性分析[49]Fig.2 Analysis of phenotypic polymorphism of A.squarrosum population[49]

為了更好地篩選和利用沙米的優(yōu)良農(nóng)藝性狀，本課題組利用Canoco 軟件將沙米的表型變異與種源氣候因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果顯示，沙米表型性狀隨緯度變化明顯，具有顯著的緯度地帶性。同時(shí)，隨緯度升高，種子粒徑逐漸增大，而其他表型性狀則相反（圖3）。通常，緯度變異主要伴隨著溫度的變化，而經(jīng)度變異則主要伴隨著降雨量的改變。因此，沙米的表型多樣性總體上與溫度相關(guān)性最大，其次是降水量。年均溫變化和溫度季節(jié)性變化越大則越有利于單粒種子的繁殖生長(zhǎng)；降雨量和降雨量變異系數(shù)越小越有利于沙米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[49]。通過(guò)計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)溫度和降雨的變異不能完全解釋沙米的表型變異。將沙米的表型變異與風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，種子粒徑與秋冬季（10 月—次年1 月）最大風(fēng)速顯著正相關(guān)，而基部枝長(zhǎng)則與夏季生長(zhǎng)季（7、8 月）的最大風(fēng)速呈正相關(guān)。這說(shuō)明季節(jié)性風(fēng)力大小影響了沙米的表型分化[50]，這為選育不同風(fēng)沙區(qū)的沙米種質(zhì)資源提供了重要參考。

圖3 基于26 個(gè)沙米居群的RDA 雙標(biāo)圖[49]Fig.3 RDA double plot based on 26 A.squarrosum populations[49]

同質(zhì)園表型監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，武威、鐵蓋鄉(xiāng)和阿爾鄉(xiāng)群體的農(nóng)藝性狀明顯優(yōu)于其他種源的群體，例如：武威群體具有穩(wěn)定而較大的地上生物量，非常適合馴化成為牧草品種（圖4（a））；鐵蓋鄉(xiāng)群體的株型整齊且穗長(zhǎng)，易于農(nóng)田種植和管理（圖4（b））；阿爾鄉(xiāng)群體種子粒徑大且多，適宜馴化為產(chǎn)種的優(yōu)良品種（圖4（c））。經(jīng)過(guò)多年的大田表型觀測(cè)和優(yōu)良性狀品系人工選育，這三個(gè)群體中優(yōu)良性狀品系經(jīng)過(guò)人工選育后的品種各項(xiàng)性狀比野生型均有顯著的改良且性狀能夠穩(wěn)定遺傳，其中單株最大種子產(chǎn)量約100 g。目前，已篩選出生物量大（WW10）、種子粒徑大（AEX3）和穗長(zhǎng)（TGX9）3 個(gè)優(yōu)良性狀的地方品種（圖4）。

圖4 沙米人工選育品種Fig.4 Artificial selection of A.squarrosum varieties

3.4 沙米的譜系地理和遺傳多樣性

由于種群動(dòng)態(tài)歷史等會(huì)對(duì)現(xiàn)有物種的遺傳多樣性的模式和水平、基因組內(nèi)的結(jié)構(gòu)變異以及基因間的連鎖關(guān)系等產(chǎn)生一定的影響，會(huì)直接或間接影響野生植物的從頭馴化過(guò)程等[51]，因此，在進(jìn)行植物的從頭馴化時(shí)，需要對(duì)其譜系地理和種群動(dòng)態(tài)歷史進(jìn)行研究從而更好地指導(dǎo)馴化工作。Qian 等[52]人通過(guò)對(duì)廣泛分布于我國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)沙丘上的一年生先鋒植物沙米的現(xiàn)存分布區(qū)的全面調(diào)查，采集了包括塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫(kù)姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達(dá)木盆地、雅江河谷、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地、庫(kù)布齊沙地、科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地等典型沙化土地區(qū)域的46 個(gè)群體共188 個(gè)沙米樣本，并利用5 個(gè)母系遺傳的葉綠體基因（cpDNA）和一個(gè)雙親遺傳的核糖體內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)片段（nrITS）的序列變異式樣，構(gòu)建了沙米的譜系結(jié)構(gòu)，并模擬其群體動(dòng)態(tài)歷史和不同歷史時(shí)期的分布區(qū)變化。結(jié)果表明：沙米大約在160 萬(wàn)年前起源于古爾班通古特沙漠，隨后在幾次冰期期間，隨著亞洲內(nèi)部干旱化的加劇，沙米通過(guò)3 次大的定植過(guò)程擴(kuò)散至其他沙漠及沙地區(qū)域，分布范圍廣闊，資源豐富。與其他區(qū)域的種群相比，中部沙米群組（包括庫(kù)姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達(dá)木盆地、雅江河谷、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地、庫(kù)布齊沙地）的遺傳多樣性最高（圖5）；并且處于季風(fēng)區(qū)的沙米有效群體的快速增長(zhǎng)（圖6），印證了全球氣候變化對(duì)不同荒漠區(qū)域穩(wěn)定性的影響不盡相同[53]，為沙米的種質(zhì)資源的篩選和收集提供了理論指導(dǎo)。此外，分子譜系揭示青藏高原的沙漠化可能始于110 萬(wàn)年前左右，早于先前的風(fēng)塵記錄。在全球變暖背景下，沙米的潛在分布區(qū)將向高亞洲區(qū)域擴(kuò)張，青藏高原也存在沙漠化的巨大風(fēng)險(xiǎn)（圖7），這也暗示著沙米作為未來(lái)糧食作物的巨大潛力和前景。

圖5 沙米群體采樣位置、nrITS 和cpDNA 單倍型分布及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[52]Fig.5 Distribution of haplotypes in the geological locations and Median-joining networks of the haplotypes in the 46 A.squarrosum populations examined in this study[52]

圖6 基于nrITS 和cpDNA 數(shù)據(jù)模擬沙米有效群體大小動(dòng)態(tài)歷史變化[52]Fig.6 Skyline plot estimated by Migrate-n for each group of A.squarrosum based on nrITS and cpDNA data[52]

圖7 沙米不同時(shí)期的分布區(qū)模擬[52]Fig.7 Predicted distributions of A.squarrosum[52]

該譜系地理工作通過(guò)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)與沙漠生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的典型先鋒植物的分子譜系調(diào)查，不僅為理解荒漠生態(tài)系統(tǒng)對(duì)季風(fēng)氣候的響應(yīng)提供了新的分子數(shù)據(jù)支持和解析角度，還為選育應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的“未來(lái)作物”——沙米提供了生態(tài)適應(yīng)性潛力和種質(zhì)資源遺傳多樣性評(píng)估。

3.5 分子輔助育種指導(dǎo)沙米的從頭馴化

植物的表型性狀通常是由環(huán)境和基因共同作用的結(jié)果。特定的分子標(biāo)記可以快速篩選出抗逆性強(qiáng)、性狀優(yōu)良的基因型和品種。分子標(biāo)記輔助育種通過(guò)分析與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記的基因型，借助分子標(biāo)記對(duì)目標(biāo)性狀基因型進(jìn)行選擇，從而可以快速準(zhǔn)確地篩選出目的性狀，提高育種效率，縮短育種年限。在大田人工選育優(yōu)良性狀的基礎(chǔ)上，借助分子標(biāo)記可精確進(jìn)行性狀篩選，鑒別親本親緣關(guān)系，回交育種中數(shù)量性狀和隱性性狀的轉(zhuǎn)移、雜種后代的選擇、雜種優(yōu)勢(shì)的預(yù)測(cè)及品種純度鑒定等，同時(shí)又避免了市場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)基因育種的不信任與恐慌。因此，為了進(jìn)一步快速篩選和培育更加優(yōu)良的沙米品種，本課題組正在通過(guò)群體遺傳學(xué)方法從多方面深入挖掘沙米基因組中與抗逆性、莖稈成藥性、落粒性以及粒徑大小等農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因或基因調(diào)控途徑，并在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的分子標(biāo)記用于沙米的從頭馴化，具體如何實(shí)現(xiàn)沙米的從頭馴化可以分為以下幾個(gè)方面：

首先，沙米優(yōu)良作物性狀的篩選及農(nóng)藝性狀相關(guān)基因精確定位。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）[54]是通過(guò)應(yīng)用基因組中數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）為分子遺傳標(biāo)記，進(jìn)行全基因組水平上的對(duì)照分析和性狀等相關(guān)性分析，從而定位影響復(fù)雜性狀的基因變異的方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人類疾病研究及動(dòng)植物分子輔助育種。為了能夠更好地指導(dǎo)沙米的從頭馴化，現(xiàn)在正在進(jìn)行沙米的基因組測(cè)序及群體基因組重測(cè)序，并期望通過(guò)GWAS 分析以及QTL（quantitative trait locus）定位等分子手段，精細(xì)挖掘沙米基因組中的農(nóng)藝性狀相關(guān)基因，勾畫沙米目標(biāo)馴化性狀的遺傳調(diào)控機(jī)制，從而精確輔助沙米優(yōu)良品種的篩選和雜交培育。例如，植物的落粒性是谷類作物是否馴化成功的一個(gè)顯著性標(biāo)志。通過(guò)大范圍的篩選和表型監(jiān)測(cè)，本課題組已發(fā)現(xiàn)兩個(gè)落粒性較差的沙米基因型，為沙米的從頭馴化研究提供了可靠的材料。

其次，沙米的抗逆性篩選以及抗逆品系選育。沙米廣泛分布于我國(guó)北方年降雨量為50～400 mm的各大沙漠和沙地[33]，具有卓越的抗旱能力。為了深入挖掘沙米基因組中的干旱適應(yīng)性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵干旱脅迫響應(yīng)基因，基于對(duì)不同干旱程度生境來(lái)源的兩種生態(tài)型沙米（AEX：年降水量約400 mm；WW：年降水量約100 mm）進(jìn)行干旱脅迫對(duì)照下的表型監(jiān)測(cè)以及比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。表型監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：與AEX 生態(tài)型相比，WW 生態(tài)型的抗旱性更強(qiáng)。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析表明：干旱脅迫下AEX 生態(tài)型和WW 生態(tài)型中分別檢測(cè)出23 656 和24 994 個(gè)干旱響應(yīng)基因。GO（gene ontology）富集分析表明：在嚴(yán)重干旱脅迫下，兩種生態(tài)型均誘導(dǎo)了與細(xì)胞內(nèi)部分、基因表達(dá)和核糖核蛋白復(fù)合物生物發(fā)生過(guò)程有關(guān)的基因顯著上調(diào)，同時(shí)抑制了與光合作用和催化活性過(guò)程相關(guān)基因的活性。通過(guò)進(jìn)一步的共調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析表明，重度干旱下誘導(dǎo)上調(diào)的基因能夠顯著促進(jìn)涉及光合作用和蛋白質(zhì)合成相關(guān)過(guò)程調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的形成。比較轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步表明，有98 對(duì)直系同源物的Ka/Ks值顯著大于1.5，且大多數(shù)基因都是參與生物及非生物脅迫壓力響應(yīng)的基因，后期將通過(guò)GWAS 對(duì)沙米干旱脅迫響應(yīng)方式及其調(diào)控方式進(jìn)行深入的挖掘和驗(yàn)證，為沙米的從頭馴化提供抗逆遺傳資源（數(shù)據(jù)尚未發(fā)表），為定向基因編輯以及雜交育種等分子手段馴化高抗逆沙米品種提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

最后，沙米的藥用價(jià)值篩選及藥用品系改良馴化。前期通過(guò)比較代謝組學(xué)，已經(jīng)確定沙米莖稈中含有大量的藥用活性成分[55]，尤其是異鼠李素含量非常高；通過(guò)抑菌實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證沙米地上組織中的黃酮粗提物對(duì)尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）、腐皮鐮孢（Fusarium solani）和鏈格孢菌（Alternaria alternata）等植物致病菌具有顯著的抑制作用（數(shù)據(jù)尚未發(fā)表）。通過(guò)群體代謝物差異分析和比較轉(zhuǎn)錄組分析，現(xiàn)已確定生長(zhǎng)于高海拔的某些基因型地上部分的藥用活性成分尤其是黃酮類物質(zhì)含量顯著高于其他基因型，并初步勾畫出沙米道地性形成的分子代謝基礎(chǔ)，為藥用型沙米的從頭馴化提供了優(yōu)勢(shì)類群和品種。后期將進(jìn)一步通過(guò)代謝組學(xué)全基因組關(guān)聯(lián)分析（metabolome genome-wide association study，mGWAS），深入探討沙米的成藥道地性形成的分子代謝基礎(chǔ)，并挖掘沙米藥用活性成分相關(guān)調(diào)控基因或基因網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)分子輔助育種和雜交育種等方式篩選和培育出藥用活性成分高的沙米品種。

4 總結(jié)與展望

植物的引種馴化與人類文明發(fā)展及人類糧食安全息息相關(guān)，植物的成功引種馴化能夠顯著促進(jìn)社會(huì)文明的進(jìn)步。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展及分析技術(shù)的日益精進(jìn)，基于基因編輯技術(shù)的植物從頭馴化方法不僅可以在短短20 幾代就能獲得性狀優(yōu)良、抗逆性高的作物，而且還可以避免傳統(tǒng)人工選擇進(jìn)行植物從頭馴化過(guò)程中作物的遺傳多樣性丟失和基因組中有害突變積累等問(wèn)題。但是，隨著糧食安全問(wèn)題日益突出，轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造的作物品種尚存在不確定性農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，需要更加安全地進(jìn)行植物的從頭馴化。對(duì)植物的譜系地理、表型多樣性、遺傳多樣性、基因組結(jié)構(gòu)變異特征以及遺傳—表型—環(huán)境關(guān)聯(lián)性等問(wèn)題進(jìn)行全面了解和剖析，能夠更好地指導(dǎo)該物種的從頭馴化。此外，新型糧食和藥用植物的探尋和篩選也是有效解決糧食安全問(wèn)題的途徑之一。通過(guò)沙米廣泛的群體種質(zhì)資源的收集、同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)進(jìn)行沙米的規(guī)范化種植、品種的選育、優(yōu)良性狀基因型間的雜交等步驟進(jìn)行沙米的從頭馴化，不僅避免了傳統(tǒng)馴化耗時(shí)費(fèi)力，還解決了市場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的不認(rèn)可。這一從頭馴化策略將為野生植物的從頭馴化提供新的研究思路和方法。