水稻起源于中国,基因组研究人员作出结论

上一篇 / 下一篇  2011-08-31 14:03:39

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[摘要]亚洲水稻(Oryza sativa),是世界上最古老和最重要的农作物之一。尽管关于水稻起源的争论仍在继续,人们一般认为水稻在大约9000年前被驯化。单一起源理论模型认为两个主要的亚种粳稻和籼稻都是从野生稻(O. rufipogon)驯化而来的。相反,多渠道独立驯化理论模型认为它们是各自从野生稻不同品种中驯化而来。后一种观点由于发现粳稻和籼稻之间存在这显著的遗传差异以及多种水稻驯化进化研究而得到大量支持。研究人员通过在一组多样性的野生和驯化水稻品种的第八、十和十二号染色体上再测序630个基因片段,重新审视驯化稻的进化史。通过使用SNP(即单核苷酸多态性)模型,研究人员在驯化水稻的这些染色体上鉴定出20个可能的(putative)选择性清除(selective sweep)区域。根据这些SNP数据和基于扩散的方法进行的种群建模结果强烈支持水稻的单一驯化起源。利用已公开发布的数据集并进行多物种溯祖(multispecies coalescent)的贝叶斯系统进化分析也表明亚洲驯化水稻只有一个起源。最终,依据所采用的分子钟(molecular clock)估计值,研究人员将水稻驯化时间追溯到约8200–13500年前,这一结果也与考古学数据相吻合,从而表明水稻大约是在此时间首先在中国长江流域被驯化。

 (Credit: © Elwynn / Fotolia)

来自纽约大学基因组学和系统生物学中心和生物系、华盛顿大学圣路易斯分校生物系、斯坦福大学大学遗传学系和珀德尤大学农学系的基因组研究人员共同从事研究,通过大规模地对水稻基因进行再测序(gene re-sequencing)来追踪其几千年的进化历史,并作出一个结论,水稻起源于中国。该研究表明驯化水稻(domesticated rice)可能最早出现在大约九千年前的中国长江流域,从而推翻了之前的观点:驯化水稻可能有两个起源------印度和中国。这一研究成果将发表在最新的PNAS杂志上,且得到美国科学基金会植物基因组研究项目的资金支持。

亚洲水稻(Oryza sativa),是世界上最古老的农作物之一,同时也是极富多样性的作物,在全球有成千上万个品种。水稻有两个主要的亚种(subspecies)------粳稻(Oryza sativa ssp. japonica)和籼稻(Oryza Sativa ssp. indica)可以代表世界上大多数品种,例如寿司水稻(Sushi rice)是粳稻的一种类型,而意大利调味饭中所用的长粒水稻大多数是籼稻。由于水稻品种是如此多样化,关于它的起源也一直是科学争论的话题。其中单一起源理论模型认为粳稻和籼稻都是从野生稻(O. rufipogon)驯化而来的。

而多起源理论模型认为两种主要水稻类型的粳稻和籼稻是从亚洲不同地方驯化而来的。最近几年,由于生物学家观察到粳稻和籼稻之间存在这显著的遗传差异,以及几项研究水稻品种之间的进化关系支持大多种驯化发生在中国和印度的观点,多起源理论模型逐渐为大家所接受。

在本文中,研究人员利用以前公开发布的数据集重新评估了驯化水稻的进化史,这其中一些数据集还被用作证据证明粳稻和籼稻起源不同。然而通过使用更为现代的计算机算法,研究人员作出结论:它们之间的血缘关系要比它们与在中国或印度发现的任何野生稻品种的血缘关系更亲近。

此外,在一组多样性的野生和驯化水稻品种被选中的染色体上,探究人员通过再测序630个基因片段来研究驯化水稻的进化史。利用在分析基因组数据来研究人类进化中曾被采用的新的建模技术,他们发现基因序列数据更吻合水稻的单一起源理论。

研究人员还采用了水稻基因的"分子钟"来观察水稻的进化时间。通过校准这些基因的分子钟,他们查明水稻起源于大约8200年前,其中粳稻和籼稻大约在3900年前发生进化分歧而将彼此区别开来。他们还指出这些分子钟时间符合考古学的研究。

纽约大学生物学家Michael Purugganan解释道,当商人和移居的农民将水稻从中国带到印度后,它很可能与当地的野生稻进行大量的杂交,因而人们曾经认为起源于印度的驯化水稻实际上真正起源于中国。

华盛顿大学圣路易斯分校著名的生物学教授Barbara A. Schaal说道,这一研究是结合基因组学、生物信息学和建模技术获得新观点的好典范;人类在亚洲流动时,水稻与人类之间有着一段复杂的进化史,这项研究开始揭示那一运动的遗传结果。

towersimper注:

分子钟(molecular clock)

定义1:一种关于分子进化的假说,认为两个物种的同源基因之间的差异程度与它们的共同祖先的存在时间(即两者的分歧时间)有一定的数量关系。基于这个假说,可以计算生物谱系发育的年代表。

定义2:由美国进化生物学家朱克坎德尔(E. Zuckerkandl)和波林(L. Pauling)于1963年提出,用DNA链中核酸序列替换速率推导进化事件发生时间的方法。

选择性清除(selective sweep)

指由于最近的较强的正向自然选择,一个突变位点相邻DNA上的核苷酸之间的差异下降或消除。

溯祖理论(coalescent theory)


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