從亞洲和埃及到挪威和南美洲的安地斯山脈，大麥是世界上最重要的穀類作物之一，至少已有12,000 年的種植歷史。隨著大麥在全球的傳播，其DNA的隨機變化使它能夠在每一個新的地方生存下來。由於大蕭條前開始的一項實驗，研究人員準確地找到了啤酒和威士忌的主要原料–大麥的非凡適應性背後的基因。這些發現可以確保大麥在快速的氣候變遷中繼續生存。

生長在加州大學戴維斯分校田間的大麥，這是一項具有百年歷史的生物實驗的一部分。圖片來源：Dan Koenig/UCR

一個世紀前實驗的遺傳啟示

關鍵是要找出會發生變化的基因，以預測哪些品種能在氣溫越來越高、乾旱時間越來越長、風暴越來越劇烈的地方茁壯成長。

“長期以來，育種家們一直明白，需要培育出適應當地環境的作物。因此，一個世紀前，他們就在加利福尼亞州戴維斯開始了這項實驗，試驗對像是來自世界各地的大麥品種，目的是找出適應當地環境的品種，」加州大學河濱分校遺傳學家丹-科尼格（Dan Koenig）說。

科尼格說：『開始這項實驗的科學家沒有能力精確定位哪些基因能使大麥在特定環境中獲得成功和高產，但我們現在可以在我的實驗室里通過一次實驗研究數千萬種基因變化。

發表在《科學》（Science）雜誌上的一項新研究描述了數十種有助於提高大麥適應性的基因。科尼格是這項研究的通訊作者，他解釋說，他們發現的一些基因可以幫助大麥將繁殖過程的時間安排在繁殖季節的最佳時期。 “開花過早或過晚都意味著植物無法結出種子，農作物要想生產出最大數量的種子，就必須在一個非常狹窄的窗口內開花。”

大麥研究小組在田間。圖片來源：Dan Koenig/UCR

基因研究的挑戰與影響

在加利福尼亞，農作物必須在漫長的旱季開始前完成開花，否則就沒有足夠的水分來製造種子。但是，如果植物過早開花，就可能遭受霜凍。研究人員確定了基因如何使開花時間恰到好處，其中有幾個基因能促進早開花，而另一些基因則能減少晚開花。

要確定這些基因並非易事。科尼格說：”了解遺傳適應性的挑戰之一是，看到它可能需要幾十年的時間，因為一年只能培育出一代大麥。”

幸運的是，研究人員可以利用1929 年在加州戴維斯市進行的大麥複合雜交II 試驗，這是世界上最古老的生物試驗之一。實驗的目的是為加州市場發現新的大麥品種。數十年來，育種人員在戴維斯將數千種不同基因的大麥相互競爭。在炎熱乾燥的加州氣候中生長得最好的大麥在競爭中勝出，並隨著時間的推移變得越來越多。

科尼格的研究團隊意識到，這個實驗的種子可以當作時間機器，直接觀察適應過程，找出能夠生存的基因。

在這58 個生長季節裡，這片田地從15,000 株不同基因的植物個體變成了一個單一的植物品系，佔據了60% 的族群¾ 完全沒有經過人類的選擇。

科尼格說：”我們對短短進化時間內發生的變化之大感到震驚。自然選擇在人的一生中完全重塑了整個基因組的遺傳多樣性。”

研究小組正計劃進行更多研究，檢視不同氣候條件下的長期實驗數據，以了解開花時間是如何以不同方式調整的。此外，研究小組也希望能更了解他們觀察到的一些奇特現象。在戴維斯的實驗中，植物群包含了來自許多地方的品種。在適應北加州後，這些植物的產量自然增加了近一倍。不過，這項增幅仍低於育種人員透過人工選擇策略所獲得的增幅。

產量可能會與其他性狀競爭，例如長得快或長得高。種植者希望植物成為友善的鄰居，但友善可能會限制對環境的適應。

由於大麥在基因上與小麥、稻米和玉米相似，因此了解大麥如何在如此多樣的環境中生存，可以幫助其他穀物適應極端氣候。利用基因組工程和CRISPR 等現代技術，研究人員可以嘗試改造其他作物，使其在特定的、更有利的時間開花。

大麥的適應力是人類文明發展的基石。了解大麥的適應能力不僅對繼續釀造酒精飲料非常重要，而且對我們開發未來作物、提高它們適應世界變化的能力也非常重要。

追溯到1929 年開始的一項實驗的研究已經確定了大麥卓越適應性的基因，這一發現有助於大麥在不斷變化的氣候條件下的可持續性，並有助於優化開花時間以提高產量。

編譯自/ ScitechDaily

DOI: 10.1126/science.adl0038