玉米根系性状的进化伴随着人类活动和自然环境的变化

大约9000年前，玉米从其祖先墨西哥中部的大刍草（teosinte）驯化而来，人类通过选择性育种将这种野生植物驯化，将其小而硬的玉米粒变成了我们今天所知的大而可口的玉米穗。几个世纪以来，玉米——如今是美国种植面积最广、全球种植面积第二大的作物——的根系性状随着环境条件和人类农业实践的变化而不断进化。由于根系在作物驯化过程中对环境变化的响应作用尚不清楚，而且这可能与当前气候变暖给玉米和其他作物带来压力的现状息息相关，由宾夕法尼亚州立大学植物科学家领导的研究小组开展了一项研究，旨在了解玉米驯化过程中根系性状的进化过程。

　　

宾夕法尼亚州立大学公园——大约9000年前，玉米从其祖先 墨西哥中部的大刍刍草（teosinte）驯化 而来，人类通过选择性育种将这种野生植物驯化，将其小而硬的玉米粒变成了我们今天所知道的大而可口的玉米穗。几个世纪以来，玉米——如今是美国种植面积最广、全球种植面积第二大的作物——的根系性状随着环境条件和人类农业实践的变化而进化。由于根系在作物驯化过程中对环境变化的反应作用尚不清楚，而且这可能与当前气候变暖给玉米和其他作物带来压力的现状有关，由宾夕法尼亚州立大学植物科学家领导的研究小组开展了一项研究，旨在了解根系性状在玉米驯化过程中是如何进化的。

研究人员检测了古代玉米植株的DNA，并分析了古植物学证据——古代植物化石以及花粉和化学特征——这些证据为了解植物生命史提供了宝贵的线索，从而揭示了玉米根系是如何进化的。他们还分析了史前大气中的二氧化碳水平和人类活动如何影响这些性状。考虑到所有这些因素，他们使用宾夕法尼亚 州立大学农业科学学院开发的用于模拟作物对土壤条件反应的计算机程序 OpenSimRoot模型来模拟玉米根系的生长和进化。该团队最近在 《新植物学家》杂志上发表了他们的研究成果。

研究人员报告称，在从大刍刍草到玉米的转变过程中，根系发生了三种主要变化：节根减少（从茎基部生长的浅根）；多层皮层厚壁组织的发育（根部厚壁细胞，帮助根系穿透更深的土壤，这是 宾夕法尼亚州立大学的研究人员之前发现的）；种子根增多（早期发育的根系，帮助幼苗获取养分）。

“我们利用古DNA、古植物学和功能结构模型重建了玉米和大刍刍草的根系表型，以及过去18000年来特瓦坎谷（最古老的玉米驯化地区之一）的环境，从而重建了根系性状随时间推移的演变过程，”团队负责人 、植物营养学杰出教授、该研究的资深作者乔纳森·林奇说道。“研究表明，能够增强植物在氮胁迫下生长的根系表型，对于玉米适应不断变化的农业实践至关重要。”

根据该研究的第一作者、2024 年获得宾夕法尼亚州立大学植物科学博士学位的 Ivan Lopez-Valdivia 的说法，这项研究追踪了根系性状进化的以下时间表：

12,000-8,000年前：二氧化碳水平上升，有利于根系生长至更深。这导致了节根的减少和多层皮层厚壁组织的出现，而多层皮层厚壁组织有助于根系更深地生长，并在较干燥的土壤中获取水分和养分。

— 6000年前：灌溉的引入改变了氮的可利用性——表层土壤中的氮含量减少，深层土壤中的氮含量增加。这进一步减少了节根，而多列皮层厚壁组织的存在使得植物更容易吸收底土中的氮。

— 约3500年前：更多种子根出现。种子根是种子发芽后发育的初始根系，通过吸收水分和养分，在支持幼苗早期生长方面发挥着至关重要的作用。这与农业集约化、人口增长和土壤退化同时发生——这些条件使得早期根系发育对于生存更为重要。

尽管研究人员在进行这项研究时回顾了很久以前的历史，但林奇表示，这些发现可能对未来产生影响，因为玉米是全球最重要的作物之一，而且气候正在发生变化，二氧化碳不断增加，土壤也在发生变化。

“我们分析了古代玉米植株标本的DNA，并利用了考古学家采集的土壤岩芯中的环境数据，将所有这些数据整合在一起，然后得出结论：‘好吧，玉米最初被驯化时，我们改变了环境。’”他解释说，“大气中的二氧化碳含量不断变化，玉米不得不发展出不同类型的根系。这不仅在历史上很有意思——因为我们正是通过这种方式才获得了现代玉米——而且还为我们未来如何利用玉米根系，使其更好地适应不断变化的环境提供了一些指导。”

参与研究的有：宾夕法尼亚州立大学植物非生物胁迫反应副教授 Ruairidh Sawers、瑞典农业科学大学博士后 Miguel Vallebueno-Estrada、伊利诺伊大学博士后 Harini Rangarajan、孟德尔分子植物生物学研究所、Max F. Perutz 实验室 Kelly Swarts、德克萨斯卫斯理大学生物学教授 Bruce Benz、不列颠哥伦比亚大学人类学系主任兼教授 Michael Blake、宾夕法尼亚州立大学植物科学博士后、南达科他州立大学作物生理学助理教授 Jagdeep Singh Sidhu、宾夕法尼亚州立大学植物科学博士生 Sergio Perez-Limon；以及莱布尼茨植物遗传学和作物研究所根系发育遗传学和生理学研究小组负责人、德国哥廷根大学教授汉娜·施耐德 (Hannah Schneider)。

该项目获得了美国食品与农业研究基金会、美国农业部国家食品与农业研究所、美国国家科学基金会、加拿大社会科学与人文研究委员会以及欧盟“地平线2020”研究与创新框架计划的资助。