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科学家阐明玉米与其古老祖先不同的演化机制

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生长在斯坦福大学校园玉米田地里的teosinte。图片来源:Yongxian Lu

  确定一个物种如何与另一个物种区别开来,就像物种起源一样一直是个令人着迷的话题,可以追溯到达尔文时代。近日,发表在Nature Communications 上的一项研究,阐明了玉米与其古老的祖先类蜀黍(teosinte)不同的演化机制。该研究由美国卡内基大学的Matthew Evans博士领导。

  物种的形成需要隔离。典型的隔离屏障是地理环境,例如山脉或岛屿将两个种群分开,阻碍了杂交,直到它们形成不同的物种。但在其他情况下,物种分化的障碍是生理因素如是否成功配对或产生存活的后代。
Evans解释说:“在植物中,这种遗传隔离可以通过阻止一个物种的'雄性' 花粉成功授给另一个物种的'雌性'雌蕊的特征来维持。”
  大约9000年前,玉蜀黍,或者说玉米,是从墨西哥巴尔萨斯河流域的类蜀黍驯化而来。这两种植物的一些种群在育种上是相容的,而另一些则在同一地区生长并同时开花,但很少产生杂交品种。
  众所周知,一组名为Tcb1-s的基因是导致这些很少杂交的玉米和类蜀黍群体不相容的三种基因之一。与其他两种不同,它几乎只在野生类蜀黍中发现。野生类蜀黍包含的雄性和雌性基因编码具有拒绝玉米花粉授粉的能力。

  在有性繁殖的植物中,花粉(基本上类似精子活动)落在雌蕊上,形成一根管子,伸长并向下钻入卵子受精处的子房。但当玉米花粉落在野生类蜀黍的雌蕊或丝上时,情况并非如此。
  Evans及其同事,包括该研究的第一作者Yongxian Lu,和Thomas Hartwig,以及威斯康星麦迪逊大学的Jerry Kermicle,证明Tcb1-雌性基因编码的蛋白质能够修饰细胞壁,可能使玉米花粉管的弹性降低,从而阻止它们到达类蜀黍的卵子。当这些管子不能一直延伸到卵子时,就不能受精,杂交也就不可能发生。
  更重要的是,由于类蜀黍花粉可以自我受精,研究人员认为Tcb1-雄性基因编码了一种能力,使类蜀黍花粉能够克服这种花粉管屏障的建立。
  Evans说:“大多数依靠风和水而不是鸟类或昆虫授粉的农作物物种多样性都很低。然而不是草类,这使得它们的进化史特别有趣。”


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