为什么没有西红柿就没有马铃薯 

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科学家发现马铃薯是从野生番茄祖先演化而来的

大约九百万年前，在后来被称为南美洲的地方，安地斯山脉仍在隆起，植被茂盛，人类尚未出现，但有两种植物已经出现了。

“更确切地说，是两个植物种群，”伦敦自然历史博物馆的植物学家桑德拉·纳普（Sandra Knapp）博士说。

她补充道：“它们是我们今日所所知的番茄（Solanum lycopersicum）以及一类植物——无块茎茄属（Solanum etuberosum）的祖先，茄属植物目前仅存的三个物种分布于智利及胡安·费南德斯群岛。”

正如你可能从它们的名字中注意到的那样，它们是近亲，并且会杂交。

“基因重组创造了一种全新的植物，”纳普博士说道，“这使得它们能够在安第斯山脉寒冷干燥的环境中茁壮成长。”

专家称之为种间杂交，这种现象经常发生，有时甚至会带来不幸的后果。

例如，骡子是由一匹母马和一匹公驴的亲密结合而诞生的。虽然它是一种成功的杂交品种，自古以来就备受珍视，但它缺乏繁殖能力。

纳普博士说，在植物界，物种间杂交经常发生——我们花园里的植物通常就是透过杂交获得的。

杂交可以自然发生，也可以透过人为干预，创造出兼具双亲基因的植物。

“有时它们是不孕的，所以它们不会发育成新的种群，”她说。

但当各种条件都理想时，结合的结果可能会超出预期。

这就是这里发生的事情。数百万年前，茄科植物的两个物种偶然相遇，孕育出了马铃薯。

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番茄（左）和黄水茄（右），它们孕育了马铃薯

“像马铃薯这样我们日常生活中不可或缺的重要食物，竟然有着如此古老而非凡的起源，真是令人着迷，”纳普博士说。

“番茄是‘母亲’，马铃薯组（etuberosum）是‘父亲’，”中国农业科学院教授黄三文说。他领导了一项国际研究，该研究于7月发表在《细胞》杂志上。

解开一个长期存在的谜团

起点是已知的。

虽然在市场上看到的马铃薯——坚硬且富含淀粉——看起来与红色多汁的西红柿不太一样——但“它们非常非常相似，”参与这项研究的纳普博士说。

根据这位科学家介绍，马铃薯的叶子和花朵非常相似，马铃薯植株的果实甚至看起来像一个小小的绿色番茄。

“除了我们所看到的之外，我们很久以前就知道马铃薯、番茄和马铃薯组（etuberosum）是近亲，”她说。“我们不知道哪一个与土豆最接近，因为不同的基因告诉我们不同的故事。”

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马铃薯和番茄非常相似，透过嫁接，可以培育出一种可以同时生产两种水果的植物，就像园艺公司“汤普森和摩根”（Thompson & Morgan）培育的这种名为“番茄-马铃薯”（TomTato）的植物一样

科学家花了数十年时间试图解开这种广受欢迎的块茎植物的起源之谜，但他们遇到了一个难题：马铃薯的基因结构非常特殊。

包括人类在内的大多数生物物种每个细胞都有两套染色体，而马铃薯却有四套。

为了解决这个悖论，研究小组分析了数十个物种（包括马铃薯、番茄和马铃薯）的120多个基因组（即一个细胞中存在的完整基因或遗传物质）。

他们定序的马铃薯基因组显示出大致相同的番茄-马铃薯分裂现象。

纳普博士强调，马铃薯的祖先“并非非此即彼，而是两者兼具”。

研究人员便是在数百万年前南美山脉的山麓地带，发现了这段“浪漫关系”的线索。

纳普博士解释说，这是一次成功的结合，是“因为它产生的基因组合使得这个新的谱系能够在安第斯山脉新建的高海拔栖息地中繁衍生息”。

这主要归功于一项关键特征，尽管地上部分的马铃薯植物外观与其亲代相似，但它们拥有一项前所未见的隐藏特性——块茎。

拥有块茎就如同随身携带一个午餐盒，能储存能量，有助于植物在冬季、干旱或其他不利的生长环境中存活。

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图中字母“c”表示马铃薯的果实，像小西红柿

基因彩票

科学家也发现了一些令人着迷的事：长出块茎的植物就像中了基因彩票。

事实证明，它们的祖先都携带着对块茎形成至关重要的基因。

任何基因单独存在都不足以构成完整的块茎，但当它们结合在一起时，就能触发一个过程，将地下茎转化为美味的马铃薯。

纳普博士所在的中国团队甚至成功证明了这一点。

“他们做了许多非常精妙的实验，敲除这些基因来证实他们的假设，”她说，“没有这些基因，块茎就不会形成。”

创造马铃薯的杂交不仅仅是一个美好的意外——它创造了一个新的器官。

而这个器官，也就是土豆，标示着一项进化壮举。

它的存在使得植物无需种子或传粉媒介就能繁殖。

它能够适应各种海拔和环境条件，从而带来了多样性的爆发式增长。

纳普博士指出：“即使到了今日，仍有超过一百种野生物种仅分布于美洲，范围从美国西南部延伸至智利与巴西。”

图像来源，Shenzhen Institute of Agricultural Genomics, Chinese Academy of Agricultural Sciences

从表面上看，马铃薯组（左）和土豆（右）可能看起来很相似，但正是后者富含淀粉的块茎使得马铃薯成为如此受欢迎的作物

漏洞

然而，这种无性繁殖的能力也对马铃薯造成了伤害。

“为了种植马铃薯，你需要种植小块的马铃薯，这意味着如果你的田地里只有一个品种，它们本质上就是克隆的，”纳普博士解释说。

基因单一意味着没有任何马铃薯植株能够抵抗新的疾病。

这就引出了科学家进行这项研究的原因。

根据纳普博士介绍，中国团队希望培育出可以透过种子繁殖并进行基因改造的马铃薯。

他们希望透过引入野生物种的基因，创造出能够更好地抵御环境挑战的品种。

“我和参与这项研究的其他演化生物学家都想知道马铃薯的近亲是谁，以及它们为何如此多样化，”她说。

“因此，我们从非常不同的角度进行这项研究，并能够从各自的角度提出问题，这使得参与和开展这项研究非常有趣。”