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植物和人类之间的进化关系是复杂的，曾有人提出：到底是人类驯化了植物，还是植物在驯化人类。如今，植物为全球的人类和动物提供营养、纤维、药物和能源等。我们的现代城市和文化在一定程度上依赖于稳定可靠的粮食生产和分配。因此，巧用植物是推动人类社会发展的重要因素。同时，也正因为植物被人类不断研究和利用，对植物的了解也让人类居住地变得更加复杂。Peter Raven是植物生物学中最重要的人物之一，他与同事Paul R. Ehrlich（Ehrlich & Raven, 1964）共同提出“协同进化”。从广义上看，协同进化是指物种之间相互作用并产生进化反应的过程。从狭义上来理解，这一定义涵盖了植物和人类之间的多种关系。 进食进化和饮食适应 一些植物的特性通常和人类或动物的形态进化是分不开的。非洲南方古猿是一种生活在大约300万年前的原始人，他们主要居住在森林地区，以坚果和坚硬的植物为食。为了适应高硬度的食物，南方古猿的头骨有一个非常大的下颚，下颚高度隆起并覆盖着厚厚的牙釉质。南方古猿头骨的形态使其能够咀嚼坚硬的植物，这是对其饮食的进化反应。另外，由于坚硬的食物难以消化，南方古猿的胃肠道系统都比较长。然而，150万年前的直立人开始扩散生活在大草原上，并以易消化的草和草籽为食。因此，与非洲南方古猿相比，他们的头盖骨就相对轻盈，牙齿更小，牙釉质更薄，胃肠系统也短很多。  图1 过去三百万年人类头骨的比较 除了这些生物形态上的适应，原始人还从生物化学上适应了食物的吸收。莽草酸途径可能是植物中最重要的生化途径之一。莽草酸不仅有助于合成人体的必需氨基酸，还可以为人类提供类黄酮和生物碱。许多传统饮食文化包括谷物和豆类都与此相关。谷物主要包括：水稻、小麦、玉米或苔麸；豆类主要包括花生、蚕豆或鹰嘴豆。如果我们不从饮食中获取自身无法合成的必需氨基酸，我们就不能制造身体功能所需的蛋白质。与谷物的成分相反，豆类某些氨基酸含量很高，而其他氨基酸含量很低。因此，通过结合谷物和豆类，我们可以获得全套氨基酸。这个显著的饮食特征在不同的人类文化中都存在。抗坏血酸（维生素C）是另外一个典型的例子。由于人类无法合成维生素C，所以在早期的经验中逐渐积累：食用柑橘类水果及相关物种来避免抗坏血酸缺乏造成的坏血病（Martin & Li, 2017）。 植物的“驯化” 两万多年前，地球上还没有可栽培的植物，狩猎者依赖于野生植物。在与人类打交道的过程中，这些野生物种慢慢被“驯化”了。简而言之，这些野生植物基因逐渐发生了突变，最终形成了与野生“祖先”外表相距甚远的作物。 野生稻是栽培水稻的野生“祖先”。野生稻与栽培水稻在外观上有很大的变化。野生稻具有进行异花授粉的大花药和促进种子传播的长芒。在现代水稻品种中，大花药和长芒都消失了，主要原因是在人类的筛选下，大多数栽培的水稻品种的种子在开花前就完成了受精，而长芒也由于影响脱粒性而逐渐被剔除。  DOI: 10.1105/tpc.15.00260 图2 野生稻和栽培稻 类蜀黍（Teosinte）是玉米的野生“祖先”。两者在果实结构上具有很大的不同。类蜀黍有许多小花和分枝，而玉米只有几片大叶子和一根主茎。 驯化作物与野生近缘种之间的差异可归因于人类介导的选择（达尔文所描述的“人工选择”）。人类最初从野生植物中获取种子，并自己开垦种植。早期的农民发现，一些植物比其他植物具有更有利的特征，比如味道更好、种子数量更多或保留时间更久、更容易种植或更有活力。因此，早期的农民收集起这些有利的种子在第二年继续种植，这种驯化过程年复一年，一代又一代，直到植物的性状发生变化并稳定下来。野生物种基因的突变降低了他们在野外生存和竞争的能力，因此他们变得更依赖人类。植物“驯化”在全球范围内反复发生，且不同地区“驯化”的植物还具有差异。例如：亚洲是驯化水稻和大豆的故乡；非洲的驯化作物包括山药、小麦和大麦；美洲是玉米和马铃薯的故乡。Jared Diamond认为植物驯化是过去一万五千年来最重要的技术发展。植物驯化能力的获得改变了人类祖先游牧的方式。随着食物生产变得更加稳定，祖先们开始选址定居、繁育和生产。并不是每个人都是狩猎者，也不是每个人都生产食物，这导致了人类文化的变迁。  图3 大蜀黍与现代驯化玉米的比较 人类和植物的未来 未来我们怎样才能与植物继续“互利共生”? 1 不同地区的植物需求差异 我们生活在一个极具挑战性的时代，我们的技术在不断变化，环境也在恶化，人口在不断增长，需要养活的人越来越多。大多数传统作物都是驯化产生的，但如今我们不再是一个个孤立的部落，而是生活在一个全球化的世界。因此，我们必须从全球角度考虑植物保护、环境和开发营养食品。世界上存在两种类型的营养不良：1）无法获得足够的食物；2）受到过多卡路里的挑战。解决第一种营养不良是生产以植物为基础的食品，在微量营养素和维生素方面提供全面的营养。解决另一种营养不良是为人们提供更优质的营养，如：用一种脂肪代替另一种脂肪等。 2 植物帮助人类抗击疾病 植物一直是药物的重要来源。例如，阿司匹林最初是从柳树中提取的；毛地黄是早期治疗充血性心力衰竭的有效药物；在马达加斯加长春花中首次发现的化合物被用于治疗某些癌症；抗疟疾化合物青蒿素是在青蒿的提取物中发现的。因此，大量具有复杂生物化学代谢的植物研究为我们在未来发现更多的疾病治疗方法提供了希望。 3 生物多样性的延续 生物多样性对于保护我们的生物圈、心理健康、文化和娱乐至关重要。可持续的环境足迹是未来的主要考虑因素，特别是在农业方面。农业对环境有很大的影响。在美国，农业用水占淡水使用量的80%，因此节约用水意味着重新思考农业和发展节水作物品种。现代农业往往涉及大量农用化学品，这些化学品可能污染河流和水系统。减少农用化学品是确保可持续环境发展的重要组成部分。目前，大多数适合农业的土地已经被用于耕种生产，未来需要更有效和高效地利用边缘土地种植作物。 除了保护土地，我们还必须保护土壤中的生物多样性。一个受到极大关注的研究领域集中在了解复杂土壤生态系统的动态以及这些动态如何促进植物健康。全球运输网络不仅加速了人类疾病的传播，我们的农作物也受到病虫害和病原体蔓延以及新疾病的影响。例如，小麦茎锈病在非洲和亚洲迅速蔓延后，开始在欧洲和美国出现，这种流行病部分是由气候变化引起的。因此，气候变化也给农业带来了直接挑战，培育优良作物适应新的气候模式将是作物育种家的一项新任务。 结语 当然，目前乐观的领域是新的植物性产品仍然在不断出现。通过生物技术开发药物前体、工业产品、生物燃料或一次性塑料等产品，实现了环境可持续发展，也减少人类碳足迹，同时还满足未来的经济需求。技术的不断发展正在推动新发现的产生，这些发现有可能应用于治疗癌症、改善农业以及促进未来合成生物学的发展。对基础研究，尤其是植物生物学研究的需求从未像现在这样迫切。因此，植物研究在未来大有可为。 责编 | RAY 参考文献 Doebley, J., Stec, A., & Gustus, C. (1995). Teosinte branched1 and the origin of maize: Evidence for epistasis and the evolution of dominance. Genetics, 141, 333–346. Dorweiler, J., Stec, A., Kermicle, J., & Doebley, J. (1993). Teosinte glume architecture1: A genetic locus controlling a key step in maize evolution. Science, 262(5131), 233–235. Ehrlich, P. R., & Raven, P. H. (1964). Butterflies and plants: A study in coevolution. Evolution, 18(4), 586–608. Jaenicke‐Després, V., Buckler, E. S., Smith, B. D., Gilbert, M. T. P., Cooper, A., Doebley, J., & Pääbo, S. (2003). Early allelic selection in maize as revealed by ancient DNA. Science, 302(5648), 1206–1208. Levetin, E., & McMahon, K. (2015). Plants and Society (p. 544). New York, NY: McGraw Hill. Martin, C., & Li, J. (2017). Medicine is not health care, food is health care: Plant metabolic engineering, diet and human health. New Phytologist, 216, 699–719. https:///10.1111/nph.14730 Schaal B. Plants and people: Our shared history and future. Plants, People, Planet, 2019;1:14–19. https:///10.1002/ppp3.12 |
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