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种子的“进化”史:育种技术引发的农业变革

来源:科普中国网 发布时间:2024-06-20 

       人类早期育种工作最终从大自然中筛选出为数不多的适宜大规模种植的品种,同时,人类的农业耕作也愈加精细,从开垦土地、翻土播种、田间维护到成熟收割,都形成一套严丝合缝的工作流程,加上灌溉和施肥技术的加持,在人工干预的影响下,野生植物的基因特性和形态特征在客观上跟随人类的意志而改变,一步步适应了人工的旱地与水田,演化成与人类共生的农作物。

广西象州的农业技术人员正在查看野生稻的生长情况,野生稻资源很少,属于国家二级保护植物,而且是水稻杂交育种中最为重要的材料。(图片来源:广西壮族自治区农业农村厅)

       人类的主食作物种类逐步固定,在中国,五谷的概念开始形成,在西亚,小麦、大麦连同亚麻和其他豆科植物共8种作物,被后世学者称为新石器时代奠基农作物。

       经验与理论:独步世界的育种思想

    在漫长的农业实践中,人类也开始逐步总结出育种与驯化的规律,最开始作为口头相传的经验在聚落中传播,后来在文字出现后,又开始将之记录,并进一步抽象出理论进行研究。

        在古代育种研究方面,中国人的贡献是独一无二的。

      《诗经·大雅》中就收录了西周时期歌颂周人始祖后稷的诗篇《生民》,其中有一句“种之黄茂,实方实苞”。意思是,种田要选用金黄好看、个大饱满的种子。这相当于西周时期农人选育种子的标准。而之后的一句“诞降嘉种,维秬维秠,维穈维芑”,意为上天降下优良种子,小米中最好的是秬子和秠子,粟中最佳的是红米和白米,这暗含着早期农业社会最朴素的育种思想。而在春秋时期的《管子·地员》中则记载了18种土壤的性状以及适宜种植的37种农作物,其中稻米就有白稻、陵稻、黑鹅等多达15种。这一时期中原地区育种技术之发达可见一斑。

清嘉庆年间刊刻佩文斋耕织图中的“浸种”图(图片来源:东京国立博物馆)

       到西汉晚期,则诞生了世界上第一部农学著作《氾胜之书》,对当时中原地区的农业耕作技术进行了系统性整理和总结,其中对选种和育种方法进行了详细论述。“取麦种,候熟可获,择穗大强者,斩束立场中高燥处,曝使极燥……取干艾杂藏之,麦一石,艾一把,藏以瓦器竹器,顺时种之,则收常倍”等内容就对当时流行的“穗选法”作了详细论述。

       在随后的两千年农业文明历程中,对作物育种的论述越来越理论化、体系化。比如南北朝的《齐民要术》就对“留种田”这一培育优良品种作物的方法进行了总结,还就新作物的命名提出了三条依据,即按照人名、种子形态和特性来命名。明代《国脉民天》中有“养种篇”,专门论述优良品质繁育的技术。这些卷帙浩繁的农学著作包含了大量古人总结的农业育种方面的经验与知识,是中国乃至世界农作物育种研究的重要资料。

    展望未来:基因层面的育种技术

      中国古代的育种知识和技术虽然长期领先于世界,但依旧无法摆脱农业社会时期经验主义的底色,粮食产量和品质无法得到实质性提升。进入工业时代和信息时代,随着分子生物学与遗传学理论的不断完备,先是杂交育种技术开始得到全面推广,粮食产量从上世纪开始得到飞跃式增长。

       随后,人类对农作物育种的认知下探到了基因层面,转基因技术登上历史舞台,并开始持续赋能农业生产。而这一技术的演进对传统农学思想的冲击是颠覆性的,同时也昭示着一个农业新时代的到来。

       直到今天,生物育种技术开始大规模运用到农业生产中,面对“干旱”“病虫害”这些传统老大难问题,人们终于获得了更高效的解决之道。比如在针对病虫害方面,科学家们通过转基因方法引入了杆状芽孢杆菌基因(Bt基因)到玉米中,有效控制了这些作物对于害虫的抵抗能力。这一基因产生的蛋白质对特定害虫有毒,但对人类和其他哺乳动物是安全的。这不仅减少了农药的使用,降低了生产成本,同时也减少了对环境的污染。

左为转基因抗虫玉米ND207,右为常规玉米。(图片来源:中国农业大学)

       此外,通过转基因技术,科研人员可以增加粮食作物中维生素、矿物质和氨基酸等特定营养物质,同时还能通过修改基因结构来提高抗性淀粉和膳食纤维的含量,有助于控制血糖和改善人体消化系统,使原来只是用于填饱肚子的粮食,有望变成真正的营养食品。

       通过现代生物育种技术,大豆、玉米这些粮食作物的产量和品质能够跃上一个新的台阶。对于中国这样一个人口众多的传统农业大国而言,这场由生物育种技术引领的农业革命,将对于整个国家的粮食安全形势产生极为深远的影响。