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4200年前的全球变冷事件刺激了水稻的进化,并蔓延到整个亚洲

4200年前的全球变冷事件刺激了水稻的进化,并蔓延到整个亚洲

一个国际研究小组发现,4200年前发生的一次主要的全球变冷事件可能导致了新的水稻品种的进化和水稻在亚洲北部和南部的传播。

他们的研究发表在《自然植物》杂志上,由纽约大学基因组学和系统生物学中心领导,使用多学科方法重建水稻的历史并追踪其在整个亚洲的迁移。

水稻是世界上最重要的作物之一,占全球人口一半以上。早在九千多年前,中国的长江流域就已开始种植,后来传播到东方、东南亚和南亚,接着是中东、非洲、欧洲和美洲。在这个过程中,水稻进化并适应了不同的环境,但很少有人知道传播的路线、时间和环境因素。

在他们的研究中,研究人员利用超过1400个水稻品种的全基因组序列——包括亚洲水稻的两个主要亚种粳稻和籼稻的品种——以及地理、考古和历史气候数据,重建了亚洲水稻的历史迁移。

在最初的4000年里,水稻种植主要局限在中国,而粳稻是种植的亚种。然后,4200年前的全球变冷事件——也被称为4.2万年事件,它被认为具有广泛的影响,包括从美索不达米亚到中国文明的崩溃——与粳稻向温带和热带品种的多样化同时发生。新进化的温带品种分布在中国北部、韩国和日本,而热带品种则分布在东南亚。

“这种突然的气候变化迫使包括农作物在内的植物适应,”纽约大学基因组学和系统生物学中心的博士后助理、该研究的第一作者拉法尔m古塔克(Rafal M. Gutaker)说。“我们的基因组数据,以及我们的合作者建立的古气候模型显示,降温事件与生长在较温和地区的温带日本海参的出现是同时发生的。”这次降温事件也可能导致水稻农业和农民社区迁移到东南亚。”

4200年前的全球变冷事件刺激了水稻的进化,并蔓延到整个亚洲

“这些发现被从考古大米仍支持数据挖掘在亚洲,也表明在4.2 k的事件后,热带水稻南部迁移,而大米也适应了北半球温带品种,”Michael d . Purugganan说银纽约大学的生物学教授,他领导了这一研究。

全球变冷事件后,热带粳稻继续多元化。它在大约2500年前到达东南亚的岛屿,可能是由于广泛的贸易网络和该地区的货物和人民的流动——这一发现也得到了考古学数据的支持。

籼稻的推广较晚,也较复杂;研究人员在大约4000年前发源于印度恒河下游流域,然后追踪了大约2000年前从印度迁移到中国的过程。

虽然研究人员认为降雨和水是水稻多样性中最受限制的环境因素,但他们发现温度反而是关键因素。他们的分析表明,热积累和温度与热带和温带粳稻品种之间的基因组差异密切相关。

这项研究说明了多学科研究的价值。我们的基因组数据为我们提供了一个模型,告诉我们水稻何时何地传播到亚洲的不同地区,考古学告诉我们水稻何时何地出现在不同的地方,环境和气候模型给我们提供了生态环境,”puruganan说。“通过这种方式,我们可以共同撰写关于大米如何在亚洲各地传播的故事的初稿。”

了解水稻的传播和相关的环境压力还可以帮助科学家开发新的品种,以应对未来的环境挑战,如气候变化和干旱,这可能有助于解决迫在眉睫的粮食安全问题。

Gutaker说:“通过对水稻传播模式和影响其迁移的环境因素的了解,我们可以研究水稻在传播到新环境时的进化适应性,这可以帮助我们识别特征和基因,从而帮助未来的育种工作。”

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