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育种的逻辑

作者:袁越

2022-12-13·阅读时长2分钟

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育种的逻辑

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地球人口已达80亿,这个数字在半个多世纪前还是不可想象的。要知道,1960年时的世界人口总数仅为30亿,但因为农业生产力不足,当年全球爆发了数次大的饥荒。很多专家相信地球是承载不了那么多人口的,但事实证明他们都错了。自60年代开始的绿色革命仅用了数年时间便将主粮的单产提高了一倍以上,世界人口也正是从那时开始暴涨的。

这场绿色革命究竟是如何发生的呢?化肥的广泛使用肯定是原因之一,但育种方式的进步才是根本。传统的育种方式都是通过筛选单产高的植株来实现增产目标的,绿色革命彻底改变了这个传统逻辑,不再筛选单产高的植株,而是想办法筛选出最善于和同类共存的品种,然后通过密植的方式实现单位土地面积上的高产量。

比如,这场绿色革命最为标志性的事件就是矮秆小麦的推广。这个品种个头矮,叶片向上生长(而不是向外扩张),这两个特征对于单个植株本身来说都是不利的,因为旁边那个叶片横向生长的高秆品种会把阳光完全挡住。但是,如果一块大田里种的全是这种矮秆小麦的话,就可以把种植密度提上去,即使单个植株的产量维持原样,总的产量也会得到大幅提升。

换句话说,绿色革命培育出的新品种把主要精力都放在了繁殖(产籽)上,而不必在相互竞争中浪费宝贵的养分,现代农业最喜欢的就是这种善于合作的品种。

不过,这个新的育种逻辑执行起来困难重重,因为育种专家很难在单个植株当中识别出这样的利他性状,于是大家只能围绕着矮秆或者叶片向上生长等等这些肉眼可见的性状做文章,对于其他那些比较隐性的利他行为就无能为力了。

瑞士苏黎世大学的塞穆尔·韦斯特(Samuel Wuest)博士受博弈论启发,设计了一个全新的育种方式,并用模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行了可行性实验,证明这个思路是可行的,相关论文发表在2022年11月29日出版的《公共科学图书馆/生物卷》(PLOS Biology)杂志上。

按照经典的博弈论,利他个体只有在周围全是和自己一样的利他个体时才是有利的,如果周围是和自己不同的自私个体则不利。韦斯特博士将同一种拟南芥分别种在基因型相同和基因型不同的两种拟南芥中间,测量了两种条件下的生物量,从中挑出了两者相差最大的那个品种,该品种一定带有既会竞争也会合作的基因型。

之后,韦斯特博士分析了这些拟南芥的基因型,找到了一个与合作有关的基因。该基因有两种不同的版本(Allele,等位基因),其中占比相对较低的那个版本能够将合作能力提升15%,即含有该等位基因的拟南芥在密植条件下的产量比含有另外那个等位基因的拟南芥提升了15%左右。未来的育种学家们完全可以参照这个方法,快速地筛选出适合密植的新品种。

进一步分析表明,韦斯特找到的这个基因是个“多效基因”(Pleiotropic Gene),它既能降低根系的竞争力,又能提高植株的抗病能力,拟南芥用这个方法把两种看似相反的功能绑定在了一起,也许这就是为什么利他基因能够在严酷的生存竞争中保存下来的原因。换句话说,协同合作的利他主义很可能是大自然的一项永恒的法则。

作为自然界当中最善于合作的物种,我们人类正是通过培养善于合作的生物品种才终于走到今天的。这一点不但适用于农作物,同样也适用于饲养业,因为家禽家畜也一定得是善于和同类相处的品种,否则它们一定会打起来。

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袁越

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