集约化农业如何将野生植物变成无处不在的杂草

《科学》杂志的一项新研究表明，现代农业的兴起如何将北美本土植物普通水麻变成了一种有问题的农业杂草。

由不列颠哥伦比亚大学(UBC)的研究人员领导的一个国际团队将来自现代农场和邻近湿地的187个水麻样本与保存在北美各地博物馆中的100多个历史样本进行了比较，这些样本可追溯到1820年。就像古代人类和尼安德特人遗骸的测序解决了人类历史的关键谜团一样，研究植物在过去两个世纪的基因构成使研究人员能够观察在不断变化的环境中发生的进化。

“自1960年代农业集约化以来，帮助植物在现代农业环境中表现良好的遗传变异已经非常迅速地上升到高频，”第一作者、UBC植物学系博士后研究员JuliaKreiner博士说。

研究人员在这种杂草的基因组中发现了数百个有助于其在农场取得成功的基因，与耐旱性、快速生长和除草剂抗性相关的基因突变经常出现。“我们对农业环境施加的变化类型如此强烈，以至于它们对我们通常认为是自然的邻近栖息地产生了影响，”Kreiner博士说。

这些发现可以为保护工作提供信息，以保护以农业为主的景观中的自然区域。减少基因流出农业场所并选择更多孤立的自然种群进行保护可能有助于限制农场的进化影响。

普通水麻原产于北美，并不总是有问题的植物。然而近年来，由于包括抗除草剂在内的遗传适应性，这种杂草几乎不可能从农场根除。

“虽然waterhemp通常生长在湖泊和溪流附近，但我们看到的基因变化使植物能够在干燥的土地上生存并快速生长以胜过农作物，”共同作者，基拉姆大学教授SarahOtto博士说。不列颠哥伦比亚省。“考虑到它被选为与人类农业活动一起茁壮成长的强烈程度，Waterhemp基本上已经进化成为一种杂草。”

值得注意的是，在当前样本中发现的七分之五的抗除草剂突变在历史样本中是不存在的。“现代农场施加了一个强大的过滤器，决定哪些植物物种和突变可以随着时间的推移而持续存在，”Kreiner博士说。“对植物的基因进行测序后，除草剂脱颖而出，成为决定哪些植物存活哪些死亡的最强农业过滤器之一。”

与没有突变的植物相比，自1960年以来，携带七种抗除草剂突变中任何一种的Waterhemp平均每年产生1.2倍的存活后代。

在自然栖息地也发现了抗除草剂突变，尽管频率较低，这引发了对非农业环境中植物生命的这些适应成本的质疑。“在不使用除草剂的情况下，抗药性实际上对植物来说代价高昂，因此农场发生的变化正在影响野外植物的适应性，”Kreiner博士说。

农业实践也改变了整个景观中发现特定遗传变异的地方。在过去的60年里，一种杂草丛生的西南品种在整个北美向东扩张，由于它们在农业环境中的竞争优势，将它们的基因传播到当地人群中。

“这些结果突出了研究历史基因组以了解植物在短时间内适应的巨大潜力，”共同作者兼多伦多大学生态学和进化生物学教授斯蒂芬赖特博士说。“将这项研究扩展到不同规模和物种，将拓宽我们对农业和气候变化如何推动植物快速进化的理解。”

“了解这些变异的命运以及它们如何影响非农业、‘野生’种群中的植物，是我们工作的重要下一步，”该研究的合著者、多伦多大学的JohnStinchcombe教授说。