從野生到耕種：揭秘作物葉片特性的演化之謎

 

圖片作者：ChatGPT

雖然世界上的植物有非常多種（光是開花植物就有超過35萬種），但人類的飲食主要依賴於相對較少的一些主要作物。當然，有些植物是不能吃的，根據聯合國糧食及農業組織 (FAO) 報告，全球大約有7,000至30,000種植物被認為是人類可食用的。

在人類歷史中，大約有6,000至7,000種植物曾被栽培用於食物。然而，今天我們只在商業上大規模種植約170種作物，而且我們極度依賴其中的大約30種來提供我們每天所需的卡路里和營養（Shelef et. al., 2017）。更進一步來說，只有三種——稻米、玉米和小麥——就貢獻了人類從植物獲得的近60%的卡路里和蛋白質（FAO, 2018）。

這些馴化的作物有一些共同的特徵：長得快、種子或可吃的部分特別大、種子不休眠或休眠期短、不會散播種子。其中，長得快這個特徵，被發現是因為所謂的「資源攫取型葉」（Resource-acquisitive leaf traits）的特徵：高光合作用率、高氣孔導度、高葉氮含量、較軟的葉片、低水分利用效率。

過去，關於作物的資源攫取型葉特性，通常被歸因於馴化過程；畢竟我們在育種的時候，當然也會傾向於選拔出長得快的作物（筆者在美國時，曾看過種子目錄宣稱「我們的菠菜最快可以收穫」）。但是，究竟是不是真的是這樣，並沒有被研究過。

西班牙的研究團隊抱持著追根究底的精神，收集了 1,146 種一年生草本植物的數據，包括 69 種作物的野生祖先，以理解全球植物多樣性背景下生理生態特徵的變異。這裡面包含了馴化作物、它們的野生祖先和野生物種。該數據集代表了來自 515 個屬和 65 個被子植物科的物種，佔全球耕地上種植作物的 75%。

收集的數據包括光合面積（Aarea）、水蒸氣氣孔導度（gwv）、基於質量的葉氮濃度（[Nmass]）、比葉面積（SLA）和 ¹³C同位素組成（δ¹³C）。數據主要來源於 TRY 植物特徵數據庫、植物信息和生態網絡數據庫、AusTraits 數據庫、中國植物特徵數據庫和 LEDA 特徵庫，並補充了其他發表數據和研究人員自己的溫室實驗的發現。

研究團隊發現，與其他野生一年生草本植物相比，作物的野生祖先在光合作用率、氣孔導度、葉氮、比葉面積（SLA）和更低的δ¹³C方面表現出更高的數值。即使排除了田野研究以控制環境因素，這些差異仍然存在。研究團隊觀察到馴化後生理生態特性幾乎沒有變化，大多數作物沒有顯示出顯著的馴化效應。

也就是說，我們餐盤上的這些作物，從一開始就是比較會搶資源的植物。為什麼會有這種巧合呢？

研究團隊認為，為何人類選擇具有較高光合作用率、氣孔導度、葉氮含量、比葉面積（SLA）和較低δ¹³C的植物作為馴化對象，可能是因為這些特徵使這些植物在農業初期環境中更有優勢，因為它們能夠快速生長並提供更多的產量。這些植物的這些特徵使其在人類開始定居並開展農耕活動時，更容易被識別和選擇，因為它們能夠快速提供食物和其他資源。

此外，這些特徵也可能與人類早期的生存策略有關，人類可能會傾向於選擇那些能夠迅速成熟並提供豐富營養的植物。這樣的植物更適合初期農業的需要，尤其是在資源有限的環境中。

當然，這些只是基於現有證據的假設，關於早期農業和植物馴化的具體歷史過程仍有許多未知之處。論文中的這些解釋有助於我們更好地理解農業起源和人類與植物之間互動的演化歷程。

參考文獻：

Shelef O, Weisberg PJ, Provenza FD. The Value of Native Plants and Local Production in an Era of Global Agriculture. Front Plant Sci. 2017 Dec 5;8:2069. doi: 10.3389/fpls.2017.02069. PMID: 29259614; PMCID: PMC5723411.

FAO. 02/10/2018. Once neglected, these traditional crops are our new rising stars.

Gómez-Fernández, A., Aranda, I. & Milla, R. Early human selection of crops’ wild progenitors explains the acquisitive physiology of modern cultivars. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01588-6