作者:刘如楠 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/19 13:09:42
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“祖籍”中国的大豆变身世界奇迹作物

 

专家在南京江浦基地指导大豆种植实验。南京农大供图

盖钧镒 

大豆富含蛋白质、不饱和脂肪酸、异黄酮等营养物质,在华夏大地上已有5000多年的栽培历史,是五谷之一。

然而,从20世纪起,我国的大豆种植面积逐渐减少,但世界大豆种植范围却越来越广。到2017/2018年,我国大豆产量为0.14亿吨,仅占同期世界产量的4.1%,而同期美国的产量为1.2亿吨。

“我们想知道,起源于中国的大豆是怎么传播到世界的、从最初传播到现在经历了什么变化,以及各个种系之间的关系等。”中国工程院院士、南京农业大学作物遗传育种学教授盖钧镒对《中国科学报》说。

经过研究发现,大豆向全球传播有四条模式途径,分别是从起源中心到亚洲北部、东部和南部,及从中国东北到欧洲和美洲。这些发现为理解全球大豆的系统地理学提供了详细的说明。相关研究成果近日发表于《作物学报(英文版)》,第一作者为南京农业大学博士刘学勤,通讯作者为盖钧镒。

国内“消声”国外“红火”

1949年的中国,人均粮食占有量仅为418斤左右,远低于联合国提出的粮食安全标准800斤的底线。为了解决温饱问题,我国在农村开展了多项改革。为了保住主粮生产,有些地方的大豆、花生等蛋白质、油脂作物不断减少,只种植水稻、小麦、玉米和高粱等淀粉类作物。

反观美国,18世纪末引进大豆,20世纪开始十分重视大豆的研究和发展。1952年起,美国大豆产量跃居世界第一。大豆也成为美国第二大经济作物。

20世纪六七十年代,大豆推广至巴西、阿根廷等南美地区。由于高蛋白质、高油脂含量等经济效益显著,它被美洲地区公认为“奇迹作物”。

“我们的实验验证了大豆的传播路径和传播关系,同时也有利于种质资源的应用和筛选,给育种提供了可参考的价值和方向。”刘学勤说。

盖钧镒希望,通过此项成果引起人们对大豆研究的重视。“我国和美国等发达国家相比,科学研究上还存在较大差距,研发力度有待加强。美国种植大豆的历史不过100多年,品种和生产却已超越了中国。因此,科学研究和产业的紧密结合非常重要。”他说。

371种大豆样品

中国大豆主产区在北部(包括东北和西北)、黄淮流域和长江流域及其南部地区。而黄淮流域和长江流域及其南部地区是大豆的起源中心。

“关于大豆的传播路线,一直都有科研人员在研究,从形态性状到蛋白标记,再到分子标记。但由于受到材料的限制,都只能说明大豆向部分地区的传播情况。因此我们希望,能利用地理来源更广泛的大豆材料和覆盖全基因组的分子标记,全面地提出大豆向世界传播的路线。”刘学勤告诉《中国科学报》。

研究人员搜集了来自世界上13个地理区域的371份大豆种质,统一在南京农业大学江浦实验站进行种植。盖钧镒介绍:“我们采集的大豆样品既有热带地区的,又有寒冷地区的,为了保证样品之间的可比性,所有种质在春季播种条件下都要生长成熟或接近成熟。因此,实验地的纬度很关键。南京正好处在世界各地大豆都能生长、开花、结实的纬度。”

但在实验过程中,还是遇到了困难,“世界各地的材料都拿到南京在春季进行播种,就会出现‘水土不服’的问题。8月份,来自高纬度地区的大豆就已经成熟了,但由于生育期变短,植株变矮,节数少自然产量低。而来自低纬度地区的大豆,由于日照时间变长,可能到了11月份还在‘长个’,却不结荚。”刘学勤说。

因此,实验需要通过人为调控光照时间来满足大豆的生长条件。

进军世界的“路线图”

通过表型研究发现,大豆性状的变异范围非常广,开花期为30~123天,成熟期为75~200天,主茎节数为4~35节。这表明,随着大豆向世界各地的传播,它逐渐适应了不同的生态环境,即日照长度和温度条件。

而后,他们对所有材料进行了基因组测序,共标记20701个位点。利用软件对371份材料的所有位点进行了统计分析,并计算不同地理群体之间的遗传距离、分化系数、相似系数等,最终得到了全球的传播路径和种群分布特征。

传播的第一条路径是从起源中心到中国东北。“先前的研究都认为,东北是起源中心的一部分。但我们的研究发现,尽管东北是我国大豆的主产区,但它并不是起源中心,因为古代东北属于游牧地区。”盖钧镒说。

他介绍,第二条路径是从起源中心向东到达朝鲜半岛,在公元1世纪左右到达日本列岛。

第三条路径是从起源中心通过商业、移民的方式向南到东南亚,再到南亚,最后到非洲。

第四条路径主要是向西通过传教士和水手等到达欧洲,又传入美国。传入美国后,美国又从中国东北多次引进大豆品种。在19世纪末,第一个大豆种质从美国南部引入巴西,巴西也从菲律宾、泰国和巴基斯坦等地引进了一些种质。阿根廷和其他南美洲国家的大豆均是从巴西引入的。由于气候和土壤条件适宜,巴西和阿根廷成为了大豆生产大国。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cj.2019.09.010

 
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