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作者：马东源
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在距今1万年前后，人类开启了农耕文明，将一些野生植物驯化为了农作物，比如小麦、水稻和玉米。其中，水稻已成为了目前世界半数人口的主食，但科学家对于驯化水稻的起源，一直众说纷纭。有研究认为驯化水稻起源于印度，也有研究认为其起源于东南亚，而近年来一些考古证据表明，驯化水稻也可能起源于中国长江中下游地区。
要弄清上万年的水稻演化史非常不容易，因为水稻组织难以在地层中长期大量保存。于是，由中国科学院地质与地球物理研究所的研究员吕厚远领导的科研团队，将目光投向了水稻中一种叫做“植硅体”的物质。
水稻中的“结石”
“植硅体可以被看作植物的‘结石’。植物的根系会从土壤里吸收可溶的硅酸，其中的硅会沉积在细胞里或细胞间，形成一种和细胞形态结构一致的二氧化硅颗粒，这就是植硅体。”吕厚远团队成员，中国科学院地质与地球科学研究所的研究员张健平解释道。
植硅体很耐风化，能够保存非常久的时间，因此很容易在古老的地层中发现。而水稻中植硅体的含量非常高，大概一克叶片中就有约几万粒植硅体。“最关键的是，植硅体能用来鉴定不同种类的植物,因为每种植物的植硅体都有其特殊形态。”张健平补充道。
上山文化遗址发现的水稻壳的植硅体（前三排是不同鱼鳞纹数量的扇型植硅体）。
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野生稻和驯化稻的植硅体形态也有所差异。野生稻生活在常年有水的湿地环境中，而驯化稻则需要干湿交替的生长环境——这有利于稻壳灌浆，提升产量。水分较少时，驯化稻的叶片会卷曲，减少水分的散失；而水分充足时，叶片又会舒展开来。叶片反复的卷曲和舒展，会在叶片泡状细胞扇形的植硅体上压出像鱼鳞一样的纹路，这成为了研究团队区分野生水稻和驯化水稻的关键。
研究团队曾统计了数十万粒植硅体的形态，发现在驯化稻中，泡状细胞植硅体上鱼鳞纹数量很多，“鱼鳞纹数量大于等于9的植硅体比例有50%左右，最低点约为40%；而野生稻这个比例仅有17%左右，差距非常显著。于是我们就把40%这个阈值作为标准，来区分野生稻和驯化稻。”张健平说。
水稻驯化史
在最近发表于《科学》（Science）的一项新研究中，吕厚远团队联合浙江省文物考古研究所、临沂大学、上山遗址管理中心等13个单位的专家，在浙江上山遗址和荷花山遗址的地层中收集了植硅体样本，通过光释光测年法确定了各地层的时间，又对植硅体样本进行了碳14测年，交叉验证样本的准确时间，最终复原了水稻驯化的历程：
在约10万年前，长江流域就已经有野生稻的分布了。到了约2.4万年前的末次冰盛期，气候寒冷，人类生存压力增大，因此开始采集利用新的食物资源，而野生稻就被包括在内。到了1.3万年前的博林暖期，气候变暖，人口大幅增长，人类开始采集更多野生稻。“采集来的野生稻种，很可能无意地落在人类的‘房前屋后’然后开始自己生长，这改变了野生稻的生存环境，开启了人类对其驯化前的栽培。”张健平说。
博林暖期结束后，气候再次转冷。严峻的环境很可能大幅降低了野生稻的遗传多样性，但这同时也让有利于驯化的基因快速积累。到了1.1万年前，鱼鳞纹数量大于等于9的水稻泡状细胞植硅体比例已经超过了阈值，表明此时已经出现了驯化的水稻。
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此前国际学术界普遍认为，一万年前的农业起源，只发生在西亚和中南美洲。而这项新研究用充分的证据，还原了水稻的驯化史，确认世界稻作农业起源于1.1万年前，与西亚麦作农业的起源时间同步，也确认了中国是驯化稻的起源地。
本文选自《环球科学》7月刊前沿专栏。