作物进化实验揭示自然选择的基因组与表型基础：从大麦CCII实验到农业可持续性

为解决作物适应性与遗传多样性流失问题，研究人员通过百年大麦Composite Cross II（CCII）实验，结合高通量表型组学和基因组学技术，揭示了自然选择驱动遗传同质化的动态过程，发现关键适应性位点（如Vrs1、HvCEN）。该研究为设计气候韧性作物提供了进化生物学依据，对保障粮食安全具有重要意义。

　　

论文解读

在气候变化与粮食安全挑战日益严峻的今天，理解作物如何通过自然选择适应环境成为关键科学问题。尽管达尔文早在19世纪提出自然选择理论，但缺乏分子层面的实证支持。现代作物育种虽能提高产量，却常以牺牲遗传多样性为代价，导致适应性下降。这一矛盾在气候变化背景下尤为突出——如何平衡高产与抗逆性？中国农业科学院农业基因组研究所的Tian Wu和Shifeng Cheng团队以百年大麦CCII实验为模型，在《aBIOTECH》发表研究，揭示了自然选择驱动作物进化的基因组机制。

研究采用三大关键技术：1）长期进化实验（CCII实验持续近百年，涵盖F₁₈至F₅₈代群体）；2）高通量表型组学（监测开花时间等适应性性状）；3）全基因组关联分析（定位Vrs1、HvCEN等关键位点）。

研究结果

自然选择的快速遗传同质化
通过对比CCII实验不同世代（F₁₈、F₂₈、F₅₈）的基因组数据，发现源自北非的单一谱系在数十年内成为优势群体，且适应性等位基因（如调控开花时间的Ppd-H1）迅速固定。这一结果挑战了传统认知——即使初始多样性高，自然选择仍能快速驱动遗传同质化。

定向选择与稳定选择的动态平衡
早期阶段，定向选择（directional selection）优先富集利于当地环境的等位基因；后期则转为稳定选择（stabilizing selection），淘汰极端早花基因型，维持中间表型。这种两阶段模型解释了作物如何在适应与稳定性间取得平衡。

适应性-产量权衡的遗传基础
CCII群体中，适应地中海气候的性状（如特定开花时间）与高产存在资源分配冲突。进化育种虽增强适应性，但产量提升速度低于传统育种，揭示了“适应性代价”的分子机制。

跨作物比较验证
研究将CCII结论推广至其他作物：1）小麦Watkins地方品种库中未利用的5个祖先组（AGs）含抗逆等位基因；2）水稻OsTCP19-H等位基因在氮匮乏环境中的适应性丢失，反映现代农业实践对自然选择的干扰。

结论与意义
该研究首次在作物中实证了达尔文理论的分子机制，提出“模式-过程-机制”框架（pattern-process-mechanism），即通过遗传变异模式（pattern）解析选择压力（process），最终揭示适应性机制（mechanism）。其核心发现——自然选择能快速重塑作物基因组，但可能导致多样性危机——为未来育种策略敲响警钟：需通过“演化重测序（Evolve by Re-sequencing）”等技术，将野生适应性等位基因（如OsTCP19-H）重新引入现代品种。这项研究不仅连接了达尔文理论与现代基因组学，更为设计“气候智能型”作物提供了进化蓝图，推动农业可持续发展。