土豆虽然看上去不起眼,但它既可以做成各种各样的菜和小吃(比如小朋友喜欢吃的薯条、薯片和土豆泥),也可以作为粮食,加工成面条、馒头等主粮。土豆无疑是全世界最主要的作物之一。
土豆学名叫马铃薯,最早起源于南美洲的智利,是印第安人的主要食物之一,人类食用历史至少已有1万年。在哥伦布发现美洲这块新大陆之后,西班牙殖民者接踵而至到达南美洲,16世纪中下叶,他们将土豆等美洲特有的植物带回欧洲。土豆这才从故乡漂洋过海来到了欧洲,最后传遍了全世界。大约在16世纪末,中国也开始种植土豆,并逐渐成为土豆产量最高的国家,每年生产的土豆产量约占全球产量的五分之一。
别看土豆现在可以做成各种食物,在1万多年前,土豆可是又小又“丑”,而且还有毒。土豆为了不让自己被动物和人类吃掉,会合成一些叫做“龙葵碱”的毒素。动物吃了含有龙葵碱的土豆后非常不舒服,轻者会出现头痛、恶心、腹痛等症状,严重时甚至会昏迷或死亡。尝过苦头的动物只好对它们敬而远之,小土豆依靠这种毒素得以保护自己。
土豆主要依靠块茎发芽方式来繁育后代。视觉中国|图
可是,人类可不是一般的动物,它们知道如何将一些野生植物驯化成可以栽培的作物。印第安人就非常聪明,他们通过品尝不同的野生土豆,发现了一些土豆苦味很浓,一些土豆则苦味很淡,于是将苦味较淡的土豆储存起来,来年种在地里,这样就能长出一些不太苦的土豆了。这样年复一年,经过数千年的驯化,土豆慢慢变得基本没有苦味了。特别是经过最近两百多年科学家持续选育,土豆的体积变得越来越大,形状变得越来越规则,味道变得越来越好吃,产量也变得越来越高,很受全世界农民的喜欢,土豆也慢慢变成了全世界都流行种植和食用的作物了。
不过,需要提醒大家的是,虽然土豆的大部分地方龙葵碱毒素含量较低,但是它们的嫩芽周围仍然保留着大量龙葵碱毒素,比未发芽的土豆高出50-100倍,所以土豆发芽的部分就不能食用了。这可是它们的主要生存策略,因为土豆的主要繁殖方式就是通过土豆发芽。一旦土豆芽被动物啃食,土豆可就不能繁殖后代了。
土豆的种子
土豆有两种繁殖后代的方式,一种是无性繁殖,也就是我们前面提到的,用土豆的块茎发芽来繁殖后代。所谓土豆的块茎也就是我们平时看到的一颗颗土豆。大家不妨观察一下或做一个小实验,将家里的土豆放上几天后,就会发现它们很容易发芽。
土豆大概在5℃的温度条件下就能发芽,最适温度是15℃-20℃。一颗土豆能长出十几个芽甚至几十个芽,在合适的条件下,每一个芽基本都能长成一个土豆苗。出芽后,需要将带有嫩芽的土豆切成小块,保证每个小块上有1-2个嫩芽,再把这样的土豆块埋在沙地里。一般在土豆芽破土而出长到0.5-1厘米时,在接受光照1-3天会逐渐变绿,就可以移栽到大田里了。等上3-4个月,一颗经过精心照料的土豆苗就会在根部结出十几颗土豆。
另一种方式则是有性繁殖,即通过土豆种子来繁殖后代。与其他大多数植物一样,土豆也会开花结果。大约生长30天左右,土豆苗就能孕蕾开花,开花期大概10天左右。土豆花还比较好看,有白色、粉红、紫色等多种颜色。土豆不仅会开花,还能结果。土豆的果实属于浆果,呈圆形或椭圆形,和小西红柿形状差不多,没有成熟之前是绿色的,成熟之后则变成黄绿色或褐色。土豆的果实有点微甜,但是最好不要吃它们,因为它们身上的龙葵碱含量非常高,比土豆芽的还要高一倍左右。
土豆的种子就藏在这些黄绿色的浆果中。土豆种子非常小,体积只有芝麻种子的六分之一,收集起来比较费劲。按理说,土豆的种子也能用于繁殖后代,为什么人们不喜欢用土豆种子呢?这是因为种子播种后生长得比较慢,影响后期的产量,并且种子繁殖出来的后代遗传特性很不稳定,比如上一代土豆块茎很大,用块茎繁殖的土豆会保留这种大块头的块茎,而用种子繁殖出的下一代土豆的块茎则可能变得大的大,小的小。
其实,大家很少有机会看见土豆的果实,因为农民并不希望土豆开花结果。农民种植土豆,主要为了尽可能多地收获土豆块茎,而土豆开花结果会吸收过多营养,块茎得不到足够的营养,难以长大,最终产量也会随之下降。因此,有经验的农民往往在土豆刚刚开花时,就把土豆的花朵掐掉,防止它们继续开花和结果,这样土豆块茎得到了大多数营养成分,长得又多又大。
高产的杂交种子
无性繁殖可尽量保留上一代的优良特性,因此成为目前最主要的土豆繁殖方式。不过这种繁殖方式也有缺点,不仅繁殖效率低,而且储运成本高,还容易携带病虫害。
为了解决这些问题,中国农业科学院深圳基因组研究所的黄三文研究员和合作者提出了“优薯计划”,希望用最新基因组设计育种技术,对土豆的基因组进行优化,培育出土豆的杂交种子,以克服土豆无性繁殖存在的问题。
但是,培育土豆杂交种子并非易事,全世界的科学家为此已努力了一百多年,收获甚微。土豆杂交种子为什么难以培育呢?科学家发现,在自然界,大多数动物和植物都是二倍体,一套染色体来自父亲,另一套染色体来自母亲,这样通过各具不同遗传特性的父母进行杂交,就能产生更优秀的后代,这就是杂种优势。
不过,目前全世界栽培的土豆品种都是四倍体,即有四套染色体。如果用四倍体土豆进行杂交,很难产生遗传特性稳定的后代。因此,只能借助无性繁殖技术来繁育土豆种苗,以尽量保留原有的一些特性,导致数十年来土豆一些主要栽培品种的产量和品质并没有显著提高。比如,目前美国的主要栽培品种已有一百多年的历史,而中国主要栽培品种的历史也超过了六十年。所以科学家一直在想办法采用新的技术来培育新的土豆品种,以大幅提高产量和品质。
要获得遗传稳定的杂交种子,必须找到二倍体土豆。科学家发现,二倍体土豆在栽培品种中非常少见,他们只好到没有经过驯化的野生土豆中寻找。好不容易找到一些二倍体土豆,又发现它们杂交后根本不能产生种子。更可气的是,杂交种子的父母还会发生严重的近交衰退,也就是说,它们的产量和品质都会出现严重的下降,这样很难培育出优良的杂交种子。
经过不懈的努力,黄三文和同事在野生土豆中找到了阻止二倍体土豆“相亲相爱”的基因,通过基因编辑技术将这些基因去掉,从而让二倍体土豆重新谈起“恋爱”,并产生了可繁殖后代的杂交种子。与此同时,科学家还通过基因组技术,让更多的有利基因在杂交土豆中尽情表现出来,而让那些不利甚至有害的基因暂时“收敛”一些,最终培育出比父母一代更加优秀的二倍体杂交土豆品种,科学家将其称为“优薯1号”。
通过种植试验,科学家发现“优薯1号”表现非常不错,每亩产量高达3吨,接近主要栽培品种,而且含有比主要栽培品种更高的干物质和营养成分,口感软糯,品质优良。更关键的是,优薯1号可以通过种子来繁殖种苗,每亩土地只需要2克杂交种子,如果通过块茎来繁育种苗,则需要约200公斤种用土豆。
土豆杂交种子培育成功,不仅能为农民节省生产成本,还能节省生产种用土豆所需的土地,而且土豆种子小而轻,运输起来非常方便。已故“杂交水稻之父”袁隆平院士曾经这样评价土豆杂交种子:“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新,将带来马铃薯的绿色革命。”
虽然土豆杂交种子取得巨大成功,但是以黄三文为首的科学家并没有停下脚步,仍然在不断钻研,希望培育出产量更高、品质更好、抗病力更强的杂交种子,让“优薯2号”“优薯3号”等更多的土豆杂交品种造福人类。
南方周末特约撰稿 汤波
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