土豆的妈妈是番茄？

一个国际研究团队发现，大约在900万年前，南美洲的番茄与类似马铃薯的物种的杂交，最终孕育出了现代的马铃薯，也就是土豆。

本图根据作者所提供图片和Pixabay网站图片制作而成。

“土芋，一名土豆，一名黄独。蔓生叶如豆，根圆如鸡卵，肉白皮黄，可灰汁煮食，亦可蒸食。又煮芋汁，洗腻衣，洁白如玉。”明代徐光启在《农政全书》中对当时进入中国的新物种——土豆的记载，已经与现代马铃薯无异。

作为全球第三大粮食作物，原产于南美洲的马铃薯风靡全球，但是它的起源问题，一直在困扰着科学家。

7月31日，在《细胞》（Cell）发表的一项研究[1]中，中国农业科学院黄三文等学者组成的国际研究团队提出，马铃薯（Solanum tuberosum）起源于番茄（Solanum lycopersicum）与类似土豆的茄属物种的杂交，这一杂交事件发生在约800万-900万年前的南美洲安第斯山脉。他们认为，这一古老的进化事件触发了块茎的形成，得以储存植物的营养。

“我们这篇研究将成为杂交物种形成的一个重要案例，它展示了杂交事件如何引发新器官的出现，也导致新物种的出现。”该研究的通讯作者黄三文告诉《赛先生》。

杂交生出马铃薯的块茎

马铃薯的起源始终是谜团。Rodríguez等人[2]汇总了众多科学家提出的假说，认为马铃薯起源于安第斯山脉或智利的野生马铃薯，经过长期的驯化和杂交选育形成了现代马铃薯，但野生马铃薯从何而来没有答案。

另外，马铃薯（Petota 谱系）和番茄（Tomato 谱系）都属于“茄属”这个大家族，在分类上是近邻。而从外形上看，现代马铃薯植物与来自智利的三种类似马铃薯的物种Etuberosum非常相似，但这些植物地下茎不能形成块茎。因此，科学家们一直争论，到底哪个家族和马铃薯的关系更近，是番茄还是类马铃薯物种Etuberosum 。

类马铃薯植株（无块茎）和马铃薯植株（有块茎）。图源：黄三文团队

在这项最新的研究中，研究人员收集了128 份高质量的二倍体基因组，主要包括101 份马铃薯谱系、15 份番茄谱系和9 份类马铃薯植物 Etuberosum 谱系的基因组，并对其进行系统发育关系分析。其中大部分基因组数据已经存在，这项研究对数据进行了再利用。

研究人员发现，马铃薯实际上是类马铃薯植物Etuberosum与番茄杂交的后代。在马铃薯的基因组中，有大约60%的遗传成分来自类马铃薯植物，而40%来自番茄。这说明，这两类植物的祖先发生了一次大规模的杂交事件，从而诞生了马铃薯这个新物种。

尽管如今的类马铃薯和番茄看上去毫无关系，但两者在1400万年前有着共同的祖先，随着时间的推移，这两个家族逐渐分化，形成了各自独立的物种。然而，它们在分化后仍然能够杂交繁殖。

以后吃土豆条蘸番茄酱，是不是有种“原汤化原食”的feel？图源：pixabay

值得注意的是，该团队还追溯到了马铃薯块茎的基因起源。研究通过酵母双杂交和荧光素酶实验发现，控制块茎形成的关键基因来自不同的祖先，例如控制块茎形成时间的“主开关”基因SP6A源于番茄，而负责调控形成块茎的关键部位匍匐茎的生长基因IT1源于类马铃薯植物。DRN和CLF则是此研究新发现的块茎功能相关基因，分别源于番茄和类马铃薯。

“我们进一步推测，包括上述四个基因在内的这些不同亲本来源的等位基因交互作用，在马铃薯内形成了全新的基因调控网络，促使了新器官（块茎）诞生。”黄三文告诉《赛先生》。

他进一步解释说，以前也有很多杂交物种形成的研究，“但我们这个研究不仅发现了杂交产生新器官，还发现了导致新器官形成的基因，大家认为这是突破性的。”

土豆改良新梦想

马铃薯祖先通过杂交获得块茎这一新性状，引发了一系列连锁反应。块茎在储存营养物质的同时还可以借助芽眼发芽长出新植株，这大大帮助了杂交后代的存活率，同时显著加快了这一新物种的分化速率。

黄三文告诉《赛先生》，他们通过分子钟计算，认为马铃薯的起源恰逢安第斯山脉快速抬升时期，并伴随块茎的诞生，这些特性可能使它们得以在不同的环境下扎根，开拓了从温和草原、热带雨林到安第斯山脉等高海拔干旱严寒地区的生态位。不过，这一推论虽具有合理性，目前仍无法验证。

研究指出，马铃薯起源于大约800万到900万年前番茄与Etuberosum之间的一次古老杂交事件，这一时期恰逢安第斯山脉的快速抬升（约600万到1000万年前）。马铃薯的成员交替继承了父母的基因，这些基因促进了块茎的形成，并触发了物种的爆发性多样化，使得马铃薯能够适应并占领不同的环境。图源：参考文献[1]

该研究也为物种形成的演化机制提供了更加丰富的内容。达尔文认为演化是渐进的，但在1972年美国两位古生物学家Eldredge 和Gould联合提出“间断平衡”（punctuated equilibrium）学说，认为渐变式的微进化与跃变式的大进化交替出现。而此次马铃薯的研究显示，杂交不同于变异积累，能快速产生大量的遗传组合，供自然选择来适应不同环境。因此，此次发现也为“间断平衡”学说提供了有力证据。

已有越来越多的证据表明，杂交事件往往会推动物种后续的辐射演化。例如，在16000年前新形成的东非维多利亚湖内，两个非洲慈鲷鱼物种通过杂交事件，最终形成了今天超过500个新物种。

科研团队也在尝试继续改良马铃薯。例如，黄三文团队[3]曾联合国内外单位发起了“优薯计划”，即运用基因组设计的理论和方法体系培育杂交马铃薯，采用二倍体育种与杂交种子繁殖以进一步优化马铃薯植株。黄三文指出，这项研究提供了一个全新的马铃薯育种思路，未来或许可以把马铃薯形成块茎的基因导入番茄中，从而培育出一种地下能长马铃薯、地上能用种子繁殖的新型番茄。

这种想法并非空穴来风。早在2013年，英国园艺公司Thompson & Morgan就上市了可以从同一株植物上收获土豆和西红柿的品种“TomTato”，并引发市场轰动。不过他们使用是嫁接的方法，这对番茄和土豆的品种要求较高且难度较大。据该公司网站的最新消息，这种特殊的幼苗已经不再供应[4]。

TomTato的果实，地上是番茄，地下是土豆。图源：http://thompson-morgan.com/

若使用基因导入的方法，从土豆条到番茄酱，一株植物也许真的就够了。