【2018年物种日历】11月27日 玉蜀黍

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实际上,如果不是司空见惯,玉米(Zea mays)对我们来说绝对是一种外貌极为奇异的植物。不信?你看:


如果光看上半部分,你或许猜不到这是玉米。图片:Gerry Ellis / mindenpictures

玉米的各部分都是啥

玉米粗壮的茎秆常常在近地面处长出一圈章鱼腿般的支柱根,开花时植株可超过2米高。


玉米的支柱根。图片:Jamain / wikimedia

和同属于禾本科谷物的水稻、小麦不同,玉米的花在正常情况下是单性的。雄花在植株顶端高高攒成丛状的花序,非常显眼。与高调的雄花序不同,玉米的雌花序却生在植株下部的叶腋里,外面密实地包着几层苞叶(玉米皮),只有每朵花的细长花柱(玉米须)从苞叶的顶端缺口探出、四散开来,准备承接从雄花飞来的花粉——所以尽管在吃这一点上,玉米须非常讨厌,但玉米是万万不可能离开它的


玉米的雄花序(左)与雌花序(右)。图片:H. Zell / wikimedia

如果剥去雌花序外面的苞叶,我们会看到上百朵雌花整齐地排列在粗壮的肉质穗轴(玉米芯)上。当这些雌花完成受粉,便会慢慢发育成果实(玉米粒),穗轴也变得更长、更粗,最后整个果穗便把苞叶撑得满满的。在这个过程中,完成使命的花柱会枯萎,但仍然残留在果穗之上——这样就最终形成了我们在市场上买到的玉米棒子。


玉米收获季。图片:Cheryl-Samantha Owen / NPL mindenpictures

玉米身世之谜

对于一般人来说,如此形态的植物可谓绝无仅有。即使是植物分类学家,一开始也觉得玉米(大名叫玉蜀黍[shǔ])在禾本科中是个另类,为它单独建了一个属——玉蜀黍属(Zea)。一直到20世纪60年代之前,绝大多数植物学家都认定这个属就只有玉蜀黍(Zea mays)这一个种。


是好吃的“蜀黍”。图片:图虫创意

也正因为此,玉米的起源问题在学界成了一大悬疑。曾经有两大学派,从20世纪30年代开始就争斗不息,以致有一位学者叹息玉米“没有出生证明就拿到了护照”,另一位学者也感慨地说:“玉米是美洲原产的作物,这是有关玉米起源的唯一科学共识。”

不过,基因测序技术的应用最终还是给这场历时近百年的争论基本划上了句号。现在学界普遍接受的结论是:玉米是在大约9000年前由一类叫类蜀黍的野生植物在墨西哥南部驯化而成的。说得再具体一点的话,玉米的野生祖先是类蜀黍的一个生于较低海拔地区的特殊类型——小颖类蜀黍。


说到墨西哥,就不能不提taco了。图片:Luca Nebuloni / Flickr

既然类蜀黍和玉米有这么密切的关系,植物学家也就把类蜀黍的所有种都转移到了玉蜀黍属,让这个属的植物增加到了5种。小颖类蜀黍的学名也因此成了Zea mays subsp. parviglumis

然而,小颖类蜀黍的形态和玉米差别很大。首先,玉米只有一根不分枝的茎秆,而小颖类蜀黍会从主干基部分枝;其次,玉米的果穗在成熟时很肥壮,而小颖类蜀黍的果穗又细又瘦,只能稀稀拉拉地结几个籽粒。

再次,玉米的果穗在成熟时不会断裂,便于收获,而小颖类蜀黍的果穗在成熟时会节节断落,便于其种子传播,却不便于人类收获;最后,玉米的大部分品种在成熟籽粒外面没有坚硬的外壳(稃[fū]片),而小颖类蜀黍的籽粒在成熟时外面却有坚硬的稃片。


从上到下依次为:类蜀黍、玉米与类蜀黍杂交种、玉米。图片:John Doebley / wisc.edu

乍一看,要让小颖类蜀黍转变成玉米,似乎要经过非常复杂的培育和筛选,其间似乎要涉及大量遗传变化。然而,同样是基因测序技术,却告诉我们:要想让小颖类蜀黍发生这些惊人的形态变化,其实只要改变为数不多的一些关键基因就行

神奇的基因与辛劳的美洲人民

科学家推测,最早利用小颖类蜀黍的中美洲先民们,要么是发现它的籽粒在加热时会像爆米花一样裂开、便于食用(爆裂玉米因此很可能是最古老的玉米品种),要么是发现它的茎秆含有糖分,嚼起来甜津津的很带劲。

在采集或栽培的过程中,中美洲人民敏锐地发现了小颖类蜀黍4号染色体tga1基因发生突变的个体——它籽粒外面的硬壳不见了,吃起来方便多了。同样,他们还敏锐地发现了1号染色体tb1基因发生突变的个体——这样的植株不再分枝,只剩下一根茎秆,于是不会把太多的养分消耗在茎叶上,而是让果穗更加丰满。


早期著著作中关于种植玉米的描绘。在贫穷年代,人们会嚼玉米秆和高粱秆来获取糖分。图片:Gary Francisco Keller / Florentine Codex

就这样,中美洲的原住民们一次次把有利的重大变异筛选出来,终于让小颖类蜀黍变成了各种各样的玉米——爆裂玉米、硬质玉米、粉质玉米、马齿玉米、有稃玉米、甜质玉米……


各式各样的玉米。图片:Asbestos / wikimedia;Jenny Mealing / Flickr

玉米糯的奥秘

中国和旧大陆其他国家一样,要到哥伦布到达美洲之后,才开始引栽这种美洲的谷物。玉米在中国有大量的名字,除了相对比较通用的玉米和玉蜀黍外,还有老玉米、玉麦、玉茭、珍珠米、棒子、苞谷、苞米等许多地方名,反映的正是它传入中国时间还不长的事实。

然而有趣的是,就在这短短的几百年时间里,中国居然也为世界贡献了一个独特的玉米类型——蜡质玉米。如果说“蜡质”你还觉得陌生的话,说“糯玉米”估计你就非常熟悉了。蜡质玉米的种子不能合成直链淀粉、只能合成支链淀粉,而支链淀粉加水煮熟后会产生黏性,因此就形成了糯玉米那种软软糯糯的口感。

让一般的玉米变成蜡质玉米,也只须改变一个叫wx的基因即可。它位于9号染色体上,名字正是英语“蜡质”(waxy)一词的缩写。其实,就和很多人类体内参与正常生理活动的基因却被冠之以“癌症基因”、“耳聋基因”一样,wx的“正常”形态其实是帮助玉米合成直链淀粉;一旦wx基因发生突变而失去正常功能,玉米便无法合成直链淀粉,于是种子中就只剩下支链淀粉了。

由于玉米基因组的强大变异性,从经典遗传学时代开始,它就是遗传学研究的常用材料。到了分子时代,科学家通过对玉米全基因组的初步研究,更是发现这种外貌古怪的谷物还有很大的潜力可以挖掘。


玉米发酵产生的沼气可用于更多领域。图片:Vortexrealm / wikimedia

也许在未来,当地球的生态环境因为人类的胡闹折腾而恶化之后,玉米真的会像2014年的科幻大片《星际穿越》描述的那样,成为人类赖以生存的仅剩的“末日谷物”吧。


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