科學家剛剛發現:土豆原來是番茄進化而來的!

2025-08-03 | 來源: 中國科學報 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

那一年，他們團隊在《自然》發表論文，首次解析了二倍體野生馬鈴薯的泛基因組，研究了野生和栽培馬鈴薯的基因組進化和多樣性，找到了馬鈴薯結薯的關鍵基因IT1。

“馬鈴薯的IT1基因怎麼和類馬鈴薯那麼像呢？”這個問題在張智洋心裡揮之不去。

一次組會上，張智洋例行匯報研究進展，他“偶然”提及了該異常現象。“會後，黃老師叫住了我，認為這可能是馬鈴薯雜交起源的證據，是一個必須深入研究的問題。”

“想要找到證據不那麼容易，信號不明顯。”黃三文說，他們決定“放大”——對栽培馬鈴薯及野生種的101份基因組和349份重測序數據進行分析，相當於給所有馬鈴薯個體做“DNA親子鑒定”。

番茄是媽，類馬鈴薯是爸

物種的形成機制是生物學領域最吸引人的問題之一，也是最大的難題之一，達爾文稱其為“謎中之謎”。

除了變異積累，雜交也被視為物種形成的一種重要機制。雜種物種形成是指兩個親本物種通過雜交方式融合，進而快速形成新物種的過程。不同於變異積累，雜交通過融合不同親本的遺傳信息，快速產生大量遺傳組合，從而促進生態物種形成和適應性輻射進化。

越來越多的證據表明，雜交對於生物進化和物種大爆發的作用可能被低估了。

近年來，國內外研究人員發現這一現象廣泛存在於植物、昆蟲、魚類及鳥類中。2003年至今，《科學》《自然》等雜志分別報道了10余例雜交起源的物種，包括金絲猴、黑熊、海豹、蝴蝶、核桃、板栗等。

值得一提的是，2016年，《自然》發表了一項對非洲維多利亞湖慈鯛的研究成果。基因組研究表明，湖中大約500種令人眼花繚亂的慈鯛在短短1.5萬年間，通過不斷雜交實現了快速進化。

這種高效產生新表型的“速率”可“媲美”作物現代育種常用的雜交實驗。“雜交實驗F2代總是呈現強大的性狀分離，可以獲得大量不一樣的個體。而大自然悄然進行的種間雜交‘實驗’相當於在無數Fn代中不斷篩選。”黃三文說。

癌細胞原地爆炸科學家發現深海抗癌神物

科學家揭開深海"死亡之謎" 　　

夏天車裡的瓶裝水能安全飲用嗎?科學家發出警告

這些研究啟發了他們的工作。張智洋表示：“野生馬鈴薯共有107個種，其樣本采集極其困難，我們的工作獲得了迄今最全面的野生馬鈴薯基因組數據集合。”

他們系統分析了來自101份馬鈴薯組、15份番茄組、9份類馬鈴薯組，以及19份其他茄科物種的高質量基因組數據。大部分基因組數據已經存在，而這項研究對數據進行了再利用。

“我們的研究發現，所有馬鈴薯個體都包含來自類馬鈴薯和番茄植株的穩定平衡的遺傳貢獻，且遺傳貢獻比例約為6：4。馬鈴薯可能是兩者雜交誕生的‘混血兒’。”張智洋說，為驗證這一猜想，他們進一步評估了三者的分化時間。

結果發現，類馬鈴薯和番茄約在1400萬年前開始分化。大約900萬年前，南美洲安第斯山脈快速隆起。偶然間，一種番茄祖先物種和類馬鈴薯祖先物種發生了雜交，而它們的後代就是最早帶有薯塊的馬鈴薯，能更好適應劇烈的環境變化。

論文共同第一作者、基因組所博士後張平賢告訴《中國科學報》，由於被子植物的特殊性，細胞器質體的基因組都來自母本。他們經過對比研究發現，馬鈴薯的雜交母本是番茄，而父本是類馬鈴薯。

黃三文說，就此，雜交物種馬鈴薯形成了：在生殖隔離層面，馬鈴薯野生種與番茄組、類馬鈴薯組親本存在顯著的雜交障礙；在基因組層面，馬鈴薯野生種通過等位基因重組篩選，產生了新器官薯塊；在生態拓展層面，雜交物種呈現爆發式輻射分化，使馬鈴薯能快速適應環境變異。

新器官薯塊展現超強優勢

為什麼馬鈴薯能長出薯塊，而它的“爸媽”——番茄既無地下莖也無薯塊，類馬鈴薯只有地下莖、無膨大薯塊？馬鈴薯特有的薯塊是如何進化而來的？

黃三文團隊提出了一個大膽猜想：這可能是基因組重組的結果。番茄組和類馬鈴薯組這兩個家族的祖先雜交後，它們的基因重新組合，意外地創造出了“薯塊”這個獨特的器官。

基於此，研究團隊進一步追溯了馬鈴薯薯塊形成關鍵基因的起源。張平賢介紹，新器官薯塊的形成是親本來源的等位基因重新組合和交互調控的結果。

比如，控制薯塊形成的“主開關”基因SP6A來自番茄組；而調控地下莖分支的關鍵基因IT1則繼承自類馬鈴薯。此外，研究團隊還發現了兩個薯塊功能相關基因DRN和CLF，分別來自番茄組和類馬鈴薯組。“任一基因缺少，都會影響薯塊的正常發育。”張平賢說。