就在上个月，国际知名学术期刊 Cell 发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队主导的一项最新研究成果——马铃薯其实是由番茄作为母本、类马铃薯作为父本杂交而来。简单来讲，番茄是土豆的“母亲”。
这个发现让植物学家们非常惊讶。毕竟，在外观上，番茄和土豆差别很大，一个结出红色果实，一个长出地下薯块。它们之间的关系，一直是困扰科学界的谜题。如今，这个谜终于揭开了一角。
马铃薯（Solannum tuberosum）属于茄科植物。茄科是一个庞大的家族，除了马铃薯之外，还有我们非常熟悉的茄子、番茄、辣椒等家常蔬菜。马铃薯在我国也称洋芋、土豆，是全球排名第三的主粮作物，仅次于小麦和水稻。这种遍布全球的植物原产于南美洲秘鲁和玻利维亚的安第斯山脉，为印第安人所驯化，已有数千年的栽培历史。
16世纪，西班牙殖民者将马铃薯带入欧洲，最初只是被当作来自异域的观赏植物。后来，人们发现马铃薯营养丰富、易于栽培、环境适应性强，于是逐渐成为世界范围内的重要粮食。目前，全球约有140个国家种植马铃薯，总产量接近4亿吨，而中国马铃薯的总产量位居世界第一，约占到全球总量的四分之一。
在植物分类学上，马铃薯属于马铃薯组，与它关系比较近的还有番茄组和类马铃薯组。从外表看，马铃薯和类马铃薯长得更像，它们都有地上茎和地下茎。但不同的是，类马铃薯的地下茎不会像马铃薯那样膨大形成薯块。长期以来，科学界普遍认为，类马铃薯就是马铃薯的直系祖先，是不结薯的马铃薯。
而近年来的分子系统发育学研究却发现，番茄组与马铃薯组的遗传距离更近。这就让人疑惑了，番茄既没有地下茎，更没有薯块，和马铃薯长得一点儿都不像，怎么会是近亲呢？
更奇怪的是，类马铃薯组只有3个种，都是生活在南美洲的野生物种，而番茄组在栽培番茄之外也只有16个野生种，但马铃薯组却包含栽培马铃薯和107个野生种，种类远比它们丰富。这种差异长期以来都是植物学上的一个谜团。
自达尔文的进化论诞生以来，物种的形成机制一直是生物学领域最吸引人的问题之一，也是最大的难题。一般认为，物种的形成有两种主要途径：一种是长期累计基因突变，经过自然选择逐渐演化成新物种；另一种是杂交，杂交通过融合不同亲本的遗传信息，能够快速产生大量遗传组合，从而形成新的物种。事实上，人类目前栽培的大多数农作物，都是通过杂交培育的。
为了解开马铃薯的起源谜题，黄三文团队对大量基因组数据进行了系统分析。他们收集并分析了101份马铃薯组（包含栽培马铃薯及56个野生种）、15份番茄组、9份类马铃薯组，以及19份其他茄科物种的高质量基因组数据。
分析结果让人惊讶：所有马铃薯个体的基因里，都包含着来自类马铃薯和番茄的遗传信息，而且番茄与类马铃薯的遗传贡献比例，大约是4:6。这说明马铃薯很可能是番茄和类马铃薯杂交诞生的“混血儿”!
光有猜想可不行，科学还得验证。科学家们继续深入研究，进一步评估了番茄、类马铃薯和马铃薯三者的分化时间。
结果显示，大约在 1400 万年前，类马铃薯和番茄的祖先还是 同一个群体，它们生活在一起，共享着相同的基因库。后来，由于环境变化等原因，这个群体逐渐分化，形成了今天的番茄类群和类马铃薯类群。
大约在900万年前，这两个已经分开的群体又偶然发生了一次杂交。由于被子植物的特殊性，细胞器质体的基因组都来自母本。科学家经过对比研究发现，马铃薯的杂交母本是番茄，而父本是类马铃薯。
这次杂交，让两种不同的基因重新组合，意外地创造出了一个全新的物种——最早带有薯块的马铃薯植株。
既然马铃薯是番茄和类马铃薯杂交的产物，那问题来了：为什么它的父母都没有薯块，而马铃薯却能长出这种特殊的结构呢？
研究发现，这一特征来自基因重组。具体来说，控制薯块形成的“主开关”基因 SP6A，来源于番茄组；而调控地下茎（也就是薯块形成部位）生长的关键基因IT1，则继承自类马铃薯。此外，科学家们还发现了两个与薯块功能密切相关的基因 DRN和CLF，它们分别来自番茄组和类马铃薯组。这两个基因缺少任何一个，薯块都无法正常发育。
薯块的出现对马铃薯来说意义重大。它不仅为马铃薯提供了一个储存营养和水分的“仓库”，让马铃薯能够在干旱、寒冷等恶劣环境中更好地生存下来；还赋予了马铃薯一种特殊的繁殖能力—— 无性繁殖。我们都知道，马铃薯可以通过薯块上的芽，直接生长成新的植株，不需要像其他植物那样，依赖种子或授粉。这种繁殖方式，大大提高了马铃薯的繁殖效率，也让它能够在世界各地快速传播。
番茄和类马铃薯的基因结合，不仅创造出薯块这个神奇的器官，还丰富了马铃薯组内物种的遗传多样性。如今的马铃薯组内部物种，大约有24%的遗传组分来源于不同的祖先，并且在进化过程中稳定地传递给后代。换句话说，不同的马铃薯个体身上保留着不同来源的基因组合，这使得它们在外形、习性和适应能力上呈现出很大的差异。
这种基因多样性在环境变化时尤为重要。气候或生境发生剧烈波动，马铃薯能够从庞大的基因库中找出最合适当前环境的组合，从而更好地生存下来。这也是为什么马铃薯能够适应从温带草原到高寒高山草甸等在内的多种复杂生态环境。
在安第斯山脉快速隆升的时期，环境和气候变得异常恶劣，许多植物都难以生存。但马铃薯凭借着薯块和丰富的遗传多样性，在这场生存竞争中脱颖而出。它们迅速繁殖、分化，形成了众多不同的物种，家族规模不断壮大。与此同时，马铃薯也与它的“父母”——番茄和类马铃薯，逐渐建立起了生殖隔离，成为了一个独立的物种群体。
今天，我们吃进嘴里的每一口土豆，都承载着千万年的进化历史。这个由番茄和类马铃薯共同孕育出来的神奇作物，如今已经稳稳地成为了人类的第三大主粮，在全球各地的餐桌上，都占据着重要的一席之地。
同时，土豆也是餐桌上的全能选手。在东北，它和茄子、青椒一起被做成地三鲜；在西北，人们把土豆擦成丝蒸熟，做成洋芋擦擦，既保留了丰富的维生素又不失淀粉的美味；在南方，土豆常和排骨一起炖煮，让淀粉吸收肉香，变得香浓软糯。
虽然弄清楚了马铃薯的身世之谜，但科学家们对马铃薯的探索可没有停下脚步，他们还在继续深挖马铃薯的潜力。例如，通过基因编辑技术调整SP6A基因，科学家已经成功培育出了能在盐碱地这种恶劣环境下生长的马铃薯品种。调控IT1基因则能使薯块长得更大更圆，产量更高。说不定在不久的将来，我们还能吃到富含Omega-3等营养成分的“保健土豆”。甚至还能像好莱坞大片一样，在遥远的火星上，看到马铃薯茁壮成长的身影。
下次蘸番茄酱吃薯条时，不妨想想这段跨越千万年的家族传奇。你正在品尝的，是植物界最成功的跨界合作成果，是大自然用基因写就的浪漫史诗。
致谢：感谢李文超博士、王长晔老师等友人为撰写本文提供的照片素材和文献资料。
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