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自然界的智慧：果荚开裂的繁衍策略

在浩瀚的自然界中，植物以独特的繁衍策略展现了生物多样性的精妙。植物的种子会以风、水流、动物和重力等方式被传播，还有很多植物依靠自身的机械弹力传播种子进行繁衍，荚果是十分有效的弹射“机关”，会以开裂的方式让种子弹出从而进行传播。

豆科植物就是自力传播中的佼佼者，比如：野大豆（Glycine soja）会通过这样的生存智慧在严酷的环境中持续繁衍，探索新领地。

农业生产的挑战：果荚开裂与产量损失

温度和湿度等环境的变化都会影响果荚开裂，随着全球气候变暖的加剧，豆科作物的果荚可能会提前炸裂，果皮裂开并扭曲，种子会随之弹出（图1）。

图1：大豆果荚开裂表型

随着农业机械化程度的提高，豆科作物在收割过程中因果荚提前开裂导致种子流失，直接影响了作物的实际产量和农民的经济收益。栽培大豆（Glycine max）是重要经济作物，是由野大豆驯化而来，其果荚开裂已成为制约产量提升的关键因素之一。

科研探索：揭示果荚开裂的遗传奥秘

培育具有果荚开裂抗性的豆科作物新品种，提高种子产量，成为了科学家们关注的育种目标。科学家们展开了一系列深入的研究，希望能够揭示豆科植物果荚开裂的奥秘。国家植物园南园贺超英研究组与合作者利用栽培大豆与野大豆进行杂交，在产生的栽培大豆后代中，鉴定出了具有明显开裂果荚表型的野大豆染色体片段（图1），还在16号染色体上发现了2个与大豆果荚开裂相关的数量性状位点（QTL）：其中一个为已知的主效位点qPdh1，另一个则是新发现的qPSH1。科研人员对qPdh1候选基因Pdh1的鉴定，也为理解果荚开裂的分子机制提供了重要线索。

遗传与环境的交响曲：Pdh1的单倍型分布与环境适应性

为了进一步探究Pdh1的作用，科研人员利用104份野大豆和233份栽培大豆的核心种质群体对Pdh1进行了群体水平分析，想知道它在豆科植物中的进化规律，以及环境变化对它的影响。

研究发现，Pdh1在核心种质中共存在10种类型，而在栽培大豆中仅保留了3种：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国黄淮地区，并在大豆的驯化过程中被选择，并向降水量相对较少的北方传播（图2）。

图2：栽培大豆中Pdh1的单倍型分布频率

尤为引人注目的是，栽培大豆中Pdh1功能基因型的表达量在不同环境条件下，特别是不同的降水量下存在显著差异，且这种表达量的变化与裂荚性状间存在显著相关性，暗示了Pdh1可能会参与调控栽培大豆果荚开裂发育可塑性。但在野生大豆中并未发现这种相关性，表明野生材料中可能存在更为复杂的调控网络，以确保其在自然环境下通过果荚开裂稳定传播种子。

趋同进化的证据：Pdh1直系同源基因的研究

研究还发现，Pdh1的直系同源基因起源于暖季型豆科植物，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）、绿豆（Vigna radiata）和豇豆（Vigna unguiculata）等多种作物的驯化过程中的功能丧失型（LoF）变异被人工选择（图3）。这一发现表明，暖季型豆科植物在调控果荚开裂的形成机制上存在着趋同进化的现象，即不同物种在相似的环境压力下，独立发展出了相似的遗传适应性策略。

图3：豆科植物中Pdh1的进化模式

结   语

科研人员揭示了豆科植物果荚开裂性状的遗传基础和进化规律，这为理解遗传稳定性与环境适应性之间的相互作用对发育可塑性的影响提供了新视角。更重要的是，这些研究成果为培育高产、稳产的豆科植物新品种提供了基因资源与理论指导。

相关论文信息：

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.

审核 | 贺超英