自然界的智慧：果莢開裂的繁衍策略

在浩瀚的自然界中，植物以獨特的繁衍策略展現(xiàn)了生物多樣性的精妙。植物的種子會以風、水流、動物和重力等方式被傳播，還有很多植物依靠自身的機械彈力傳播種子進行繁衍，莢果是十分有效的彈射“機關”，會以開裂的方式讓種子彈出從而進行傳播。

豆科植物就是自力傳播中的佼佼者，比如：野大豆（Glycine soja）會通過這樣的生存智慧在嚴酷的環(huán)境中持續(xù)繁衍，探索新領地。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的挑戰(zhàn)：果莢開裂與產(chǎn)量損失

溫度和濕度等環(huán)境的變化都會影響果莢開裂，隨著全球氣候變暖的加劇，豆科作物的果莢可能會提前炸裂，果皮裂開并扭曲，種子會隨之彈出（圖1）。

圖1：大豆果莢開裂表型

隨著農(nóng)業(yè)機械化程度的提高，豆科作物在收割過程中因果莢提前開裂導致種子流失，直接影響了作物的實際產(chǎn)量和農(nóng)民的經(jīng)濟收益。栽培大豆（Glycine max）是重要經(jīng)濟作物，是由野大豆馴化而來，其果莢開裂已成為制約產(chǎn)量提升的關鍵因素之一。

科研探索：揭示果莢開裂的遺傳奧秘

培育具有果莢開裂抗性的豆科作物新品種，提高種子產(chǎn)量，成為了科學家們關注的育種目標?？茖W家們展開了一系列深入的研究，希望能夠揭示豆科植物果莢開裂的奧秘。國家植物園南園賀超英研究組與合作者利用栽培大豆與野大豆進行雜交，在產(chǎn)生的栽培大豆后代中，鑒定出了具有明顯開裂果莢表型的野大豆染色體片段（圖1），還在16號染色體上發(fā)現(xiàn)了2個與大豆果莢開裂相關的數(shù)量性狀位點（QTL）：其中一個為已知的主效位點qPdh1，另一個則是新發(fā)現(xiàn)的qPSH1?？蒲腥藛T對qPdh1候選基因Pdh1的鑒定，也為理解果莢開裂的分子機制提供了重要線索。

遺傳與環(huán)境的交響曲：Pdh1的單倍型分布與環(huán)境適應性

為了進一步探究Pdh1的作用，科研人員利用104份野大豆和233份栽培大豆的核心種質(zhì)群體對Pdh1進行了群體水平分析，想知道它在豆科植物中的進化規(guī)律，以及環(huán)境變化對它的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，Pdh1在核心種質(zhì)中共存在10種類型，而在栽培大豆中僅保留了3種：Hap-1、Hap-2和Hap-3，且都起源于野大豆。其中，Hap-2在野大豆中主要分布在我國黃淮地區(qū)，并在大豆的馴化過程中被選擇，并向降水量相對較少的北方傳播（圖2）。

圖2：栽培大豆中Pdh1的單倍型分布頻率

尤為引人注目的是，栽培大豆中Pdh1功能基因型的表達量在不同環(huán)境條件下，特別是不同的降水量下存在顯著差異，且這種表達量的變化與裂莢性狀間存在顯著相關性，暗示了Pdh1可能會參與調(diào)控栽培大豆果莢開裂發(fā)育可塑性。但在野生大豆中并未發(fā)現(xiàn)這種相關性，表明野生材料中可能存在更為復雜的調(diào)控網(wǎng)絡，以確保其在自然環(huán)境下通過果莢開裂穩(wěn)定傳播種子。

趨同進化的證據(jù)：Pdh1直系同源基因的研究

研究還發(fā)現(xiàn)，Pdh1的直系同源基因起源于暖季型豆科植物，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）、綠豆（Vigna radiata）和豇豆（Vigna unguiculata）等多種作物的馴化過程中的功能喪失型（LoF）變異被人工選擇（圖3）。這一發(fā)現(xiàn)表明，暖季型豆科植物在調(diào)控果莢開裂的形成機制上存在著趨同進化的現(xiàn)象，即不同物種在相似的環(huán)境壓力下，獨立發(fā)展出了相似的遺傳適應性策略。

圖3：豆科植物中Pdh1的進化模式

結   語

科研人員揭示了豆科植物果莢開裂性狀的遺傳基礎和進化規(guī)律，這為理解遺傳穩(wěn)定性與環(huán)境適應性之間的相互作用對發(fā)育可塑性的影響提供了新視角。更重要的是，這些研究成果為培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的豆科植物新品種提供了基因資源與理論指導。

相關論文信息：

Yong B, Zhu WW, Wei SM, Li BB, Wang Y, Xu N, Lu JJ, Chen QS, He CY* (2023) Parallel selection of loss-of-function alleles of Pdh1 orthologous genes in warm-season legumes for pod indehiscence and plasticity is related to precipitation. New Phytol. 240(2):863-879.

審核 | 賀超英