2023
01/10
相关创新主体

创新背景

现代农业的兴起如何将北美本土植物普通水麻变成一种有问题的农业杂草。由不列颠哥伦比亚大学的研究人员和多伦多大学的同事领导的一个国际团队将来自现代农场和邻近湿地的187个水麻样本与100多个可追溯到1820年的历史样本进行了比较,这些样本可追溯到北美各地的博物馆中。

就像古代人类和尼安德特人遗骸的测序已经解决了人类历史的关键谜团一样,研究过去两个世纪植物的基因组成使研究人员能够观察进化在不断变化的环境中的行动。

 

创新过程

自1960年代农业集约化以来,帮助植物在现代农业环境中表现良好的遗传变异已经迅速上升到高频。

研究人员在杂草的基因组中发现了数百个基因,这些基因有助于其在农场取得成功,其中与耐旱性,快速生长和抗除草剂相关的基因突变经常出现。

研究人员表示,他们在农业环境中施加的变化类型是如此强烈,以至于它们对邻近的栖息地产生了他们通常认为是自然的影响。

这些发现可以为保护工作提供信息,以保护以农业为主的景观中的自然区域。减少基因流出农业地点并选择更孤立的自然种群进行保护可能有助于限制农场的进化影响。

普通水麻原产于北美,并不总是有问题的植物。然而,近年来,由于包括除草剂抗性在内的遗传适应性,杂草几乎不可能从农场根除。

值得注意的是,在当前样本中发现的七种除草剂抗性突变中有五种在历史样本中不存在。研究人员在现代农场施加了一个强大的过滤器,确定哪些植物物种和突变可以随着时间的推移而持续存在。除草剂对植物的基因进行测序,成为决定哪些植物存活和哪些死亡的最强农业过滤器之一。

自1960年以来,携带七种抗除草剂突变的任何一种的水麻每年平均产生1.2倍的存活后代,而不是没有突变的植物。他们在自然栖息地中也发现了抗除草剂突变,尽管频率较低,这引发了关于这些适应对非农业环境中植物生命的成本的质疑。

研究人员表示,在没有除草剂应用的情况下,抗药性实际上对植物来说代价高昂,因此农场发生的变化正在影响植物在野外的适应性。

虽然水麻通常生长在湖泊和溪流附近,但他们看到的遗传变化使植物能够在更干燥的土地上生存,并迅速生长以超越作物。水麻基本上已经进化成一种杂草,因为它被选中与人类农业活动一起茁壮成长。

农业实践也重塑了在北美大陆上可以找到杂草丛生的普通水麻品种。在过去的60年里,一个杂草丛生的西南品种向东发展,由于它们在农业环境中的竞争优势,将其基因传播到当地种群中。

研究人员表示,了解这些变异的命运以及它们如何影响非农场“野生”种群中的植物是他们工作的重要下一步。

研究人员还计划进一步深入研究他们对不同地理和时间尺度上植物进化速度的发现,希望揭示不断变化的景观中土地利用的变化如何影响本地植物的进化。

 

创新价值

这些结果突出了研究历史基因组在短时间内了解植物适应的巨大潜力。将这项研究扩展到规模和物种将拓宽人们对农业和气候变化如何推动植物快速进化的理解。从广义上讲,研究人员表示,这些发现意味着需要更多地考虑农业实践对本地植物的影响。一方面,保护农业景观中的自然区域提供了重要的生态服务。另一方面,这些自然种群将在基因上变得与没有农业时的样子大不相同。这些植物在原生栖息地的生存能力如何仍然是一个谜。

 

创新关键点

研究人员在杂草的基因组中发现了数百个基因,来研究该杂草的耐旱性,快速生长和抗除草剂相关基因突变原因。

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