中國人愛吃的水稻哪里來？——稻谷多樣性之面面觀

每年的5月22日，聯(lián)合國環(huán)境署將它制定為『國際生物多樣性日』，以呼吁保護及永續(xù)利用生物多樣性的重要性。而2022年的主題『共建地球生命共同體』（Building a shared future for all life） 更是強調(diào)：生物多樣性是一張巨大的網(wǎng)，將地球上的每個物種緊密的串連起來。那么，稻米的多樣性與我們?nèi)祟愂侨绾未B的？人類的遺傳多樣性是否也因多元的米食文化而變得豐富呢？

約自1950 年開始，植物學(xué)家們大規(guī)模且系統(tǒng)性的在世界各地采集稻種，并建立種原庫保存種子供科學(xué)研究及育種應(yīng)用。1960年代引領(lǐng)水稻『綠色革命』的奇跡米 IR8，即為張德慈博士與國際稻米研究所 （IRRI） 的育種專家們 （圖1），將采集自臺灣的半矮型地方栽培種『低腳烏尖』與來自印尼的高莖桿地方種『Peta』雜交，再經(jīng)過多年繁殖、選拔、評估而育成的高產(chǎn)品種 （圖2）。根據(jù)國際農(nóng)業(yè)研究諮商組織 （CGIAR） 估計，目前超過78萬多種栽培稻與野生稻低溫保存在全球40 多個國家的種原庫里（圖3），不得不令人好奇栽培稻是如何一步一步從野生稻演化出如此豐富的遺傳變異及多樣性？ 考古學(xué)家與遺傳學(xué)家分別從不同的角度收集證據(jù)，試圖解開這個謎團。

圖1. 國際稻米研究所種原庫一景。圖中人物為張德慈博士，1962 年至1991 年擔(dān)任國際稻米研究所遺傳資源中心主任。

圖2. 國際稻米研究所示范田的綠色革命奇跡米 『IR8』 及兩親本『低腳烏尖』與『Peta』
出處：IRRI Photo Flickr

圖3. 在國際稻米研究所溫室內(nèi)展示的野生稻
出處： IRRI Photo Flickr
馴化野生稻

時間拉回到一萬多年前的歐亞大陸，部分智人 （Homo sapiens） 逐漸放棄狩獵采集的游牧行為，選擇耕種畜牧的定居生活，而后發(fā)展出『農(nóng)業(yè)』聚落，開始『新石器時代』。那個時期，到處可見帶著長芒稻穗（圖4）及ㄧ碰就落粒的各種野生稻族群。有些野生稻喜歡生長在潮濕多雨的陰涼河谷區(qū)，有些則比較適應(yīng)干燥的土壤及溫暖的氣候。部分野生稻發(fā)展出多年生的生長習(xí)性，依賴地下匍匐莖繁殖，種子則進入休眠，等環(huán)境條件對了才發(fā)芽。有些則是單年生，可以在風(fēng)或蟲的幫忙下完成異花授粉（圖5）。有趣的是，許多野生稻的表征或特性，在現(xiàn)代廣泛種植的亞洲栽培稻幾乎都看不見了。但是，控制這些特性的遺傳因子仍有可能隱藏在古老的地方種 （landraces） 或野生近緣種的基因池 （gene pool） 內(nèi)，等待我們?nèi)グl(fā)掘！

圖4. 具長芒的野生稻種子
出處：IRRI Photo Flickr

圖5. 野生稻雄蕊花藥明顯外露，易促成異花授粉。
出處：IRRI Photo Flickr

考古學(xué)家、人類學(xué)家與遺傳學(xué)家非常好奇亞洲栽培稻 （Oryza sativa） 是在什么時候出現(xiàn)，在哪里出現(xiàn)？一萬多年前的野生稻，它是如何被人類『馴化』成適合耕種、容易收獲保存的稻種？考古學(xué)家四處挖掘遺址，藉由分析碳同位素或陶器殘骸內(nèi)的稻硅酸體 （phytolith）推估年代。從部分碳化米的外觀型態(tài)，可約略區(qū)分野生型或栽培型，但大多數(shù)出土的稻谷遺骸因年代久遠而不易鑒別粒型?？茖W(xué)家進一步利用高倍率顯微鏡觀察遺址出土的稻谷底部與穗柄軸之間的離層帶 （abscission zone） 構(gòu)造，野生稻因為形成離層帶而容易落粒（圖6E, 6H），馴化稻卻無明顯的離層帶（圖6D, 6G），此特征可被用來判定水稻馴化的程度。相較于不易管理的常落粒野生稻，馴化稻谷成熟后仍與穗柄軸相連，早期的農(nóng)夫可用石器工具在適當(dāng)?shù)臅r間統(tǒng)一采收，大大的提高農(nóng)作效率及收獲產(chǎn)量，也因此加速馴化稻的普及性。目前許多亞洲國家包括臺灣的考古遺址都有馴化稻的蹤跡，然而只有少數(shù)如中國的河姆渡/田螺山遺址仍可發(fā)現(xiàn)不同比例的野生稻與馴化稻遺骸，推估6600-6900年前在長江中下游流域的水稻已完成馴化。位于長江下游的上山遺址，透過當(dāng)?shù)爻鐾恋牡竟冗z骸硅酸體定年結(jié)果，更將栽培稻的馴化初期追溯至9400年前，是目前發(fā)現(xiàn)最早的馴化稻。那么，長江流域是唯一的馴化稻起源地嗎？

圖6. 田螺山遺址出土的野生稻與馴化稻谷基部構(gòu)造。野生稻因為形成離層帶而容易落粒（圖6E, 6H），馴化稻則無明顯的離層帶 （圖6D, 6G）。
改編自出處：Fig. 3 in Fuller et al （2009） Science 323, 1607-1610

栽培稻是單一起源還是多重起源？

相較于非洲栽培稻 （Oryza glaberrima），亞洲栽培稻 （Oryza sativa） 是當(dāng)今全世界栽種面積最廣的稻種，可依據(jù)型態(tài)、分布地理位置、遺傳背景等特性，分出黏度高、谷粒短圓、生長于溫帶及亞熱帶的粳稻 （japonica rice） 與黏度低、谷粒瘦長、多種植于熱帶及亞熱帶的秈稻 （indica rice）。有趣的是，當(dāng)遺傳學(xué)家將粳稻與秈稻雜交后，發(fā)現(xiàn)有些后代會產(chǎn)生不稔實 （sterile） 的種子，因此推測在馴化及之后的傳播過程中，粳稻與秈稻的基因序列變得越來越不一樣而漸漸形成生殖隔離，故將其視為兩個亞種 （subspecies）。那么，粳稻與秈稻是如何從一萬多年前的野生稻馴化而來的呢？哪一個先出現(xiàn)？或是兩者同時在不同的地方被馴化的？亦或還有其他的馴化路徑？考古研究雖能推測水稻馴化的時間及地點，但是較難從數(shù)千年前出土的稻谷遺骸型態(tài)判斷馴化稻是粳稻或秈稻，也不易從碳化稻萃取出完整的DNA 分子進行分析比較。于是，遺傳學(xué)家從各地采集存活至今的野生稻、野生近緣種及地方栽培稻，試圖從它們的DNA序列變化，探索水稻早期的馴化足跡及傳播路徑。前段提到，失去落粒性是一個非常重要的馴化性狀，當(dāng)科學(xué)家比較野生稻及栽培稻控制落粒程度的主要基因 （sh4） 序列，發(fā)現(xiàn)所分析的栽培稻，不論是秈稻或粳稻，都具有相同的遺傳訊息，跟野生稻完全不同，因此推論水稻馴化是單一起源。除了落粒性，還有一些馴化性狀如株型、分櫱程度的基因分析也得到類似的結(jié)果。然而，部分科學(xué)家認為以少數(shù)幾個馴化基因的序列變化來支持水稻馴化是單一起源的證據(jù)太薄弱，無法被完全說服。近年來，科學(xué)家藉由分析大量野生稻及栽培稻的全基因體序列，推測一萬多年前的人類在廣西附近的珠江流域，開始將當(dāng)?shù)氐囊吧咀迦厚Z化出粳稻。粳稻隨后往外漂移，有的往中國北方及韓國、日本移動，有的往南方傳播，進入東南亞地區(qū)，與當(dāng)?shù)卦械囊吧痉N雜交，開始第二次馴化，產(chǎn)生秈稻。雖然最新的DNA分子演化證據(jù)與考古稻谷遺骸證據(jù)對馴化稻起源地的推論有所出入，科學(xué)家們?nèi)耘Σ恍傅睦^續(xù)應(yīng)用新技術(shù)及新方法探索這個有趣的問題。
水稻多樣性

水稻馴化是一個漫長且復(fù)雜的過程，在這幾百年甚至幾千年的時間里，從初期的野生族群與馴化中的族群共同存在，到后來半馴化或完全馴化的稻種隨著人類的遷徙傳播至各地，適應(yīng)各種多元的地理環(huán)境，發(fā)展出今日豐富的多樣性（圖7）?，F(xiàn)今全世界栽培稻的耕種面積約有1億6千多公頃，90% 以上分布在亞洲。我們可以在喜馬拉雅山腳下的不丹看到水稻梯田，也可以在濕熱的印度及孟加拉的恒河三角洲發(fā)現(xiàn)深水稻，北至蘇聯(lián)、日本北海道，南至中南美洲、澳洲，都可以種稻。栽培稻為了適應(yīng)不同環(huán)境條件，有的對日照長度從敏感變鈍感；有的根系特別發(fā)達可于旱地生長；有的長期種植在高緯度或高海拔地區(qū)，因此特別耐低溫；有的則發(fā)展出耐熱生理機制，可抵抗高溫的沖擊。自從綠色革命以來，高產(chǎn)的商業(yè)品種或推廣品種深受多數(shù)農(nóng)民的青睞，因此，傳統(tǒng)的地方種漸漸從農(nóng)田消失，生物多樣性也隨之下降。幸運的是，至今還有些農(nóng)夫仍種著他們的祖先世世代代傳下來的稻種，這些被稱為傳家寶 （heirloom） 的地方栽培種，雖然耕種面積不大，產(chǎn)量也不出色，但是卻能豐富水稻的遺傳多樣性，也對當(dāng)?shù)氐臍v史、文化、風(fēng)土民情的保存扮演重要的角色，因此，保種是一場迫在眉睫的全球行動。

圖7. 自世界各地搜集的地方栽培稻種原
出處：IRRI Photo Flickr

國際稻米研究所的科學(xué)家們調(diào)查3000 多個來自世界各地的栽培稻型態(tài)如株高及粒型、生長習(xí)性如開花時間、分櫱數(shù)以及稻米質(zhì)量等多個性狀，豐富的多樣性也反映在稻種的基因序列里面?？茖W(xué)家比較這3000 多個栽培稻的全基因組信息，發(fā)現(xiàn)超過三千多萬個DNA分子變化，包含單一鹼基差異、小片段的插入或缺失，大片段的結(jié)構(gòu)變化等等。演化親緣關(guān)系分析除了鑒別出秈稻、粳稻兩大分支外，秈稻族群內(nèi)可依地理位置分出東亞秈稻、南亞秈稻、東南亞秈稻及一小群來自于孟加拉的夏稻 （aus） （圖8）；粳稻族群內(nèi)則可再區(qū)分出溫帶型 （temperate）、熱帶型 （tropical） 、亞熱帶型 （subtropical） 及香米 （aromatic） 等數(shù)個次族群，溫帶型粳稻多分布于東亞如日本、韓國，中國北方等地、熱帶及亞熱帶粳稻則分布于東南亞地區(qū)。大家所熟悉的爪哇型稻 （Javanica rice） 則多屬于熱帶或亞熱帶粳稻。臺灣地理位置特殊，育種家因應(yīng)消費需求育成各種類型的米種，配合農(nóng)民豐富的栽培管理經(jīng)驗，不論是栽種面積最廣的粳稻如臺南11號、媲美越光米的臺粳9號、臺南16號，或是香米如高雄147號、臺中194號，以及秈米如臺中秈10號，均能在這片土地上開花結(jié)果。

圖8. 3010個栽培稻的親緣關(guān)系樹
改編自出處：Fig.1 in Wang, W., Mauleon, R., Hu, Z. et al. （2018） Nature 557, 43–49

透過多年來的科學(xué)研究，我們可以清楚看見生態(tài)環(huán)境及人為選拔影響稻種遺傳多樣性的豐富度。近年來，育種家們大規(guī)模的探勘及評估水稻種原的遺傳歧異度及各種特性，孟加拉的夏稻就被發(fā)現(xiàn)特別適合在高溫多雨的季節(jié)生長，而且對多種逆境的抵抗能力也很好。育種學(xué)家已經(jīng)開始利用夏稻的優(yōu)良特性改良品種，最有名的例子即為國際稻米研究所從非常耐淹水的夏稻品種FR13A找到抗性基因 Sub1，再利用傳統(tǒng)雜交配合分子標(biāo)志輔助選育方法 （非基因改造），將FR13A的耐淹基因Sub1導(dǎo)入原本不耐淹的地方適應(yīng)品種使其獲得抗性（圖9），目前已在東南亞國家大規(guī)模的推廣種植。

圖9. 國際稻米研究所的田間試驗，顯示導(dǎo)入耐淹基因Sub1 的品種如Samba-Sub1在淹水 （1.25 公尺深） 17天后的表現(xiàn)遠優(yōu)于原本沒有耐淹基因的親本 Samba。
出處：Bailey-Serres, J., Fukao, T., Ronald, P. et al. （2010） Rice 3, 138–147

稻米的營養(yǎng)成分以淀粉為主，粳米與秈米在烹煮后，低直鏈淀粉的粳米黏度高，反之，高直鏈淀粉的秈米較松散。秈粳直鏈淀粉含量的差異，影響米質(zhì)及口感，因此，人類在不同的地理環(huán)境，發(fā)展出多元的米食文化。為了能有效率的將淀粉代謝成能量，人類在演化過程中，產(chǎn)生數(shù)目不等的淀粉酶基因 （amylase, AMY） 消化淀粉，遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類族群間存在著淀粉酶基因數(shù)目的差異，而且基因數(shù)目的多寡與人類食用淀粉的偏好性有高度的相關(guān)性，但是否與粳米或秈米的選擇有關(guān)仍有待探索。

結(jié)語

經(jīng)過時間洗禮而存活下來的每個物種就象是一顆顆時空膠囊，它們的DNA 里記錄著過去所發(fā)生的突變、天擇、人擇、移地適應(yīng)及遺傳物質(zhì)重組、互換、交流等等事件，這些事件也正是形塑生物多樣性的原動力。因此，不論是低溫保存在種原庫里的稻種，或是正隨著不同季節(jié)在各種生態(tài)、地理環(huán)境下開花結(jié)穗的稻子，都需要我們好好的保護及珍惜它們，不只是為了我們?nèi)祟惖纳?，也為了地球這一張巨大的網(wǎng)所串起的所有生物。

參考文獻

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[2] 尋回水稻生物多樣性 https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?id=5183

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[6] Genomic variation in 3,010 diverse accessions of Asian cultivated rice （2018） https://www.nature.com/articles/s41586-018-0063-9

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