吃了一辈子大米,你还在相信水稻种水里是因为喜欢水?

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本文来自微信公众号:把科学带回家 (ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国


今天来聊一聊我们的口粮。


水稻(Oryza)是一种草,也是全世界一半人的能量来源,全世界90%的大米在亚洲被吃掉。


既然是水稻,而且从小到大看到的稻田似乎总是有水,很多人想当然地认为水稻是喜欢水的水生植物。


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其实不是的,水稻被灌水主要原因是为了干死杂草,第四声。


根据国际粮农组织(FAO),水稻是唯一一种可以在泡在水里的情况下还能存活的谷类作物,给稻田灌水是重要的除草方式,可以避免杂草滋生和除草剂的使用。国际水稻研究所(IRRI)也表示,漫灌法是控制稻田杂草的最好办法。


稗草(barnyardgrass)、异花莎草(smallflower umbrellaplant)等杂草都是喜欢和水稻扎堆玩耍的杂草,完全不在乎社交距离。


如果不及时除草,水稻由于杂草的竞争就会长不帅。杂草有多可怕呢,每平方米只要有10株杂草,水稻的产量就会下降25%。而且,杂草的种子如果和稻米混在一起,就会影响稻米的品质和价格。


虽然这些长期跟着水稻混的杂草或多或少对浅水有一定适应性,但谁也没有水稻这样能适应漫灌。所以人类早就摸索出了水田种水稻的方法。


是这样的,受到菲克第一定律的支配,水中的扩散系数比空气要小1万倍,因此植物很难在水下呼吸。杂草的种子也需要氧气才能发芽,给它们灌灌水,就能把它们扼杀在萌芽状态中。


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当然,水稻也不能忍受长时间泡水。


被水淹的一段时间里,水稻看起来很苍白疲软硬不起来。一般来说,水稻能忍受48小时的漫灌,然后要把水及时排干。等它们硬起来了,要重复几次漫灌。


不同水稻品种能忍受的水深不同,通常稻田的水深在5厘米~20厘米左右。深水当然能淹死更强的杂草,但也会把水稻一起带着螺旋升天,所以农民大大需要掌握水深和野草数量之间微妙的平衡。


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所以,水稻是怎么适应泡水的环境的呢?


稻米最早是在9000年前在亚洲被驯化的。实际上,虽然人类很早就开始用漫灌法种植水稻,但对这种方法的原理的认识时间仅80年不到。


20世纪40年代的二战期间,荷兰植物学家 MH Van Raalte 在爪哇(今印尼)的茂物植物园首次研究水稻忍受漫灌的性质。经过几十年的研究,科学家们终于发现了水稻的下面这些耐水技能。


首先,泡水后,水稻会长个儿,让叶片露出水面,这就是泡苗助长。


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湿地植物茎的通气组织 图片来源:wikipedia


第二,泡水后,水稻会自发让根部的一些细胞死亡,形成通气组织(aerenchyma)。根部的通气组织和叶片联通,相当于吸管,让根部可以在水下自由畅快呼吸,通过这种方式把根留住。而秧苗能在缺氧的情况下也能产生类似潜水呼吸管的胚芽鞘(coleoptile)


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水稻秧苗用于呼吸的胚芽鞘(红圈所指)


水稻的另一个技能是,当它们的叶子也泡了水以后,叶子表面能够吸住一层空气,这样叶片可以和水进行间接的气体交换。


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水稻一类的半水生植物泡入水中的叶片表面会形成气体薄膜。图片来源:(DOI)10.1104/pp.112.208173


此外,水稻的“酒量”还不错。


虽然植物也可以在短时间内进行厌氧呼吸,但是厌氧呼吸产生的有毒代谢废物乙醇会迅速累积,把植物醉死。但是,水稻的根对乙醇的耐受力很强,这样让它可以在长出通气组织前忍受一段时间的缺氧。


当然,也有少数杂草,比如水毛花(roughseed bulrush)是和水稻一样的水货,能够忍受深水,所以它们是水稻除草剂的主要应用对象。


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驯服这样强的草,人类也是花了很大的功夫。你大概不晓得,人类直到现在还在和想要变野的水稻搏斗。


吃过所谓的红米吧?这是一种特别的水稻品种吗?其实不是。红米就是野化的水稻(weedy rice),也就是想返祖的浪子。


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红米 图片来源:wikipedia


华盛顿大学路易斯分校的水稻学家 Kenneth Olsen 和同事于2013年发表在Journal of Evolutionary Biology上的一项研究发现,水稻曾经经历2次出世2次入世:先在非洲和亚洲分别独立被驯化,接着又在后来的1千年里经历了去驯化(de-domestication),也就是回归野性。


所以到底什么叫水稻被驯化了,什么又叫变野?


是这样的,所有被驯化的动植物都会出现驯化综合症(domestication syndrome),对于水稻来说这主要是不会落粒(shattering)


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落粒的野生稻(左)和不落粒的驯化水稻(右) 图片来源:(DOI)10.5334/ai.1314


水稻的祖先还是野货时,还没成熟的种子会自动弹飞,那农民掰掰还怎么去收拾对吧?驯化后,种子会乖乖挂着直到成熟。


另外,驯化后的水稻种子更大,发芽时也不会出现野货那样的休眠期,这样种子们可以一起发芽生长,一家人整整齐齐被收割。


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水稻野化的另一大特征就是外壳——行话叫颖壳的颜色变浅,这也和我们提到的红米有关。


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水稻的颖壳 图片来源:wikipedia


虽然非洲等地有些水稻的颖壳是彩色的,但大部分水稻的颖壳是卡其色的,放到田里看是金灿灿的。


不过变野之后,颖壳就会黑化返祖,变成黑色或者红色等奇奇怪怪的颜色。


一个著名的野化品种就是红米,它是亚洲水稻 Oryza sativa  受到野性召唤的结果。另外一种比较少见的野化品种是棕米,它是亚洲水稻亚种 indica 走了野路子后产生的。


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美国阿肯萨斯一些稻田里的野化的水稻的种子 图片来源:Kenneth Olsen


红米的颖壳黑粗硬,口感不如白米,而且产量比正牌水稻低很多。2005年发表在 Weed Science 上的一项研究发现,每平方米只要有25株红米,稻田的产量就会下降60%,因此红米被妥妥地贴上了“杂草”的标签。


从基因上来说,野货和正牌差别不大,就像没法区分哪吒和娜扎一样,因此能让红米扑街的除草剂也会把水稻带走。这也是红米可以嚣张横行的一个重要原因。


Olsen 表示,被野货污染的稻田收成后,说好的白米其实上变成了红米,所以许多农民没有办法也就拿出来卖了。好在红米的抗氧化剂花色素苷含量比较高,因此有很好的保健卖点。


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一个不幸的消息是,随着20世纪80年代开始的机械化种植的发展,野货浑水摸鱼的情况越来越严重,欧洲和巴西40%以上的稻田都有混进来的红米。


这是因为,在过去使用人肉插秧机的时候,插秧机人工识别出野货时,可以手动找茬摘除。但是现在很多地方采用直播的方式种田,也是把种子直接撒在田里发芽生长。而野货和正牌小时候的长相十分相似,难以分辨,等到野货长大了再跟它算账也就晚了。


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Olsen 表示:“对水稻来说,去驯化的野货是非常有攻击性的竞争者,它们在美国和全世界都在搞事情。一些地方的农民已经放弃种水稻,转而种这些野草化的品种了,因为它们被当作健康食品宣传。确实,红米富含抗氧化物,因为抗氧化物是植物的防御物质,但实际上它们本质就是杂草。”


水稻里有水但不是因为喜欢水,就像学生里有学但不是因为喜欢学。


本文来自微信公众号:把科学带回家 (ID:steamforkids),作者:七君


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