跨越10萬年他們用“指紋”解鎖中國水稻演化史

　　距離杭州約120公里的浙江省浦江縣，藍天白云下，稻田環繞間，上山遺址迎來一個重要發現。

　　中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員呂厚遠、張健平，與來自浙江省文物考古研究所、臨沂大學等13個國內外單位的合作者，利用水稻“指紋”——植硅體微化石中的魚鱗紋數量等手段，解鎖了水稻從野生到馴化的10萬年連續演化史。研究進一步確認了中國是世界水稻的起源地，約1萬年前的上山文化在其中占據重要地位。5月24日，相關研究成果發表于《科學》。

　　“證據確鑿，結論高度創新。”審稿人評價說，這項研究深入探討了水稻在中國的漫長演化歷史，改變了人們對世界農業起源格局的認知，可以說是迄今為止關于東亞水稻起源最全面的論證，具有很高的學術價值。

　　“這是一項科學突破，更是一個文明的啟示。”地質地球所所長底青云說，小麥、水稻的起源，是人類發展歷史的重要里程碑。上山遺址中水稻馴化的證據表明，東亞稻作農業與西亞兩河流域麥作農業的起源在時間上是同步的，這深化了對世界農業起源格局的理解，也為增強民族文化自信作出了重要貢獻。

　　缺失的證據鏈

　　水稻是全球半數人口的主食。但人類最早從什么時候、在什么地方種水稻、吃稻米，開始農業起源？

　　過去一個多世紀來，這個問題一直充滿爭議。直到20世紀70年代，浙江余姚河姆渡遺址、浦江上山遺址以及長江中下游諸多遺址水稻考古證據的發現，才讓國際學術界開始認同長江中下游地區可能是世界水稻的重要起源地之一。

　　“但直到21世紀初，學術界認可的農業起源地是中南美洲和西亞，不包括東亞。”論文共同第一作者兼通訊作者呂厚遠對《中國科學報》說，“水稻栽培和馴化對中華文明的形成和發展產生了深遠影響。但至今，中國一些大學教材里還在講水稻是起源于印度。”

　　國際上，中南美洲和西亞分別被認為是玉米和小麥馴的化地。東亞稻作農業起源緣何不被認可？

　　其關鍵問題是，缺少化石證據。

　　傳統觀點認為，2.65萬年前至1.9萬年前的末次盛冰期因為溫度降低，在長江中下游沒有野生稻分布。“如果沒有野生稻，馴化從哪兒來？”呂厚遠說，“由于東亞地區的水熱氣候條件，植物死亡后，埋藏在地層中的有機質很容易腐爛，難以在上萬年的演化中保存下來，這使得我國缺少8000至1萬年前從野生稻到馴化稻的鑒定方法和證據。”

　　那么，是否存在可長期保存的水稻鑒定指標？能否找到長江流域末次盛冰期野生稻的證據？可否揭示人類馴化野生稻的過程并回答其中潛在機制？

　　20多年來，呂厚遠和團隊一直在試圖回答這些問題，他們的辦法是用植硅體微化石。

　　“植硅體是充填在高等植物細胞組織中的二氧化硅顆粒，它數量多、分布廣，1克葉子中能夠產生幾萬粒，而且二氧化硅跟玻璃一樣能夠保存很久，不管是被動物吃下排泄還是遇火焚燒，都能在土壤中沉淀下來。”論文第一作者兼通訊作者張健平向《中國科學報》解釋說。

　　更關鍵的是，呂厚遠表示，像人的“指紋”一樣，不同植物的植硅體有著不同的形態特點。比如，水稻的植硅體是帶有魚鱗狀紋的扇形、竹子的是長鞍形、蘆葦的是盾形……

　　呂厚遠團隊從上世紀80年代末起就開始研究植硅體，在中國可謂一枝獨秀。他們跑遍全國，不僅采集了不同氣候帶的表土土壤樣品，分析不同植被帶植硅體組合特征和分布規律，還采集了數千種植物樣品。請植物學家幫助鑒定后，他們畫了成套的現代植硅體素描圖，做成了圖版和多套顯微鏡片，出版了研究專著，每年都會吸引很多國內外的學生前來學習。

　　這套技術在我國多個遺址的考古工作中都取得了非凡“戰績”，如鑒定出我國青海“東方龐貝”喇家遺址的“面條”是由黍粟制作的、河北武安磁山考古遺址植物遺存為黍（黃米）。這套農作物植硅體鑒定方法還被寫入歐美多所大學的教科書中。

　　然而，由于野生稻和馴化稻的植硅體屬于“同類”，要鑒定出它們的演化差異難上加難。

　　建立“新標準”

　　早在1998年，呂厚遠在分析東海大陸架鉆孔樣品時，就發現在1.3萬多年前的地層中有水稻植硅體。根據當時有限的現代野生稻、馴化稻樣品的分析，他發現馴化稻植硅體中的魚鱗紋通常大于等于9個，而野生稻中則多數少于9個。但基于當時的技術和有限的化石數量，很難回答野生稻何時開始馴化的問題。

　　2017年，呂厚遠與學生用植硅體魚鱗紋數量的判別方法，發現上山遺址文化層中的水稻馴化時間可追溯到9400年前，并認為作物馴化是一個漫長的過程，應該有更早的從野生到馴化的記錄。

　　如何找到更早的野生稻的證據，區分野生稻與馴化稻的差別，并建立一套國際認可的指標？

　　“我們花了很多工夫回答這個問題，需要和許多單位合作，獲得野生稻的樣品。在我曾經負責的中國科學院的‘碳專項’項目中，有植物專業的團隊參加，提供了難得的獲得樣品的機會。”呂厚遠說。

　　研究團隊不僅采集了野外不同年代地層中的土壤，帶到實驗室通過化學溶液處理等方法將植硅體分離出來進行鑒定，還從海南、江西等地采集了很多現在的野生稻、土壤進行分析，并通過大棚實驗培植野生稻，排除馴化基因，然后一個個葉片進行鑒定，取得了大量可重復檢驗的數據。

　　基于此，他們建立了一套量化標準：魚鱗紋數量大于等于9的扇形植硅體的比例達到40%，就屬于馴化稻；反之，就是野生稻。

　　研究團隊還進一步解釋了魚鱗紋數量與水稻馴化程度相關的原因。野生稻常年生長在水里，馴化稻要定期排水，因此水稻卷葉是人類育種過程中選擇的農藝性狀。隨著干旱程度增加，水稻卷葉可以反復失水、膨脹等，使得魚鱗紋增加。

　　為了確保測年的準確性，這項研究的測年由國內外4個實驗室共同參與，相互驗證，并使用不同測年方法相互支持，以證明年代的可靠性。

　　一系列的跨學科研究表明，上山遺址記錄了東亞水稻從野生到馴化的連續過程，野生稻早在約10萬年前就在這里生長，約2.4萬年前的氣候寒冷期開始作為采集資源被人類初步利用，約1.3萬年前開始了野生稻馴化前的栽培，最終在約1.1萬年前實現馴化，標志著東亞稻作農業的起源。

　　就像開盲盒

　　“上山文化申遺最重要的內核就是稻作起源，新研究為上山文化作為稻作農業起源地提供了強大的支撐和關鍵性的科學依據，將有助于當地申遺工作的推進。”論文共同通訊作者、浙江省文物考古研究所研究員蔣樂平表示。

　　審稿人認為，1.1萬年前開始的東亞上山文化稻作農業起源，與西亞小麥和大麥開發、利用與馴化的時間幾乎同步。這種同步意味著全球氣候變化、景觀變化以及文化交流和傳承在農作物起源中發揮了重要作用。

　　自2005年在地質地球所讀研究生開始，張健平就開展了植硅體的研究。談及研究中的酸甜苦辣，他直言：“跑野外的苦累不算啥，等待論文修改意見的時間才是最焦慮的。”

　　在兩年的時間里，張健平與研究團隊都在根據審稿人的意見補充植硅體的研究數據。他覺得，做數據研究就像開盲盒，不到做完所有數據、做出一張完整的圖片，最后結果會如何呈現完全不清楚。“有時候‘盲盒’開出來結果特別好，和之前的認知完全一樣；如果和預想的不一樣，就要換思路重新對樣品進行大量分析。”他說。

　　新的研究計劃正在醞釀。呂厚遠表示，關于水稻馴化和起源仍有許多謎題待回答，例如是什么基因在控制水稻魚鱗紋的變化？多年生的普通野生稻如何轉變為一年生、通過種子繁殖的野生稻……他希望進一步開展跨學科研究，回答這些問題。