禾本家族的自述

　　禾本科是世界上第四大科，是分布最广的植物家族，也是经济价值最大、和人类关系最密切的植物家族。这样一个家族有怎样的起源和迁徙历史呢？让我们来听听禾本科代表植物草地早熟禾的介绍吧。

　　遍布全球的禾本家族

　　我是草地早熟禾，在中国北方的草坪中你很容易找到我的身影。植物分类学家把我归属于禾本科，在英文中，“科”（family）其实就是家族的意思。感谢分类学家把我作为禾本科的代表，下面就由我来讲述我们禾本家族的迁徙故事。

　　禾本科大概是9000万年前出现在地球上的。那时正是地质学上的白垩纪。一说到白垩纪，也许你马上会想到恐龙。没错，我们的祖先还真和恐龙有过亲密接触。2005年《科学》杂志报道，在印度发现的恐龙粪便化石中发现了很可能属于禾本科植物的显微结构——植硅体。植硅体是植物细胞内外由二氧化硅构成的小颗粒。这个发现说明，那时候有一部分食草恐龙正是以我们的祖先为食的。当然，我们也不会轻易让它们吃得开心，坚硬的植硅体对食草动物的牙齿来说，是个不小的麻烦！

　　要说禾本科具体起源的地点，科学家还有争论，有说是非洲，有说是南美洲。但不管是非洲、南美洲还是印度，都是从一块位于南半球的叫作冈瓦那的巨大古陆分裂出来的。所以我们禾本家族最早的时候是地地道道的南方“人”，从来都没见过北斗七星呢。

　　今天禾本家族已经遍布世界各地，几乎征服了各种生境。不要说北极圈和极高山地区了， 连南极洲都有我们一位兄弟——南极发草的身影。然而在最开始的时候，我们的祖先还只是热带森林里不起眼的小草，家族也很不繁盛。如今，我们还有三个人丁稀少的远房分支继续生活在热带雨林里，坚守着远祖奋斗过的地盘。它们在形态结构上有点像竹子，却是草本植物，所以通常叫做“草本竹类”，简称“竺类”。中国台湾有一种囊稃竺，是竺类在中国的唯一野生种。

　　禾本家族关系网

　　到了大约7000万年前的白垩纪晚期，禾本家族里出现了两个新的分支，后来获得了大发展。其中一支就是包括我草地早熟禾在内的BEP支。BEP支很快就进一步分化成竹亚科、皱稃草亚科和早熟禾亚科三个分支。

　　竹亚科

　　竹亚科的成员通称竹子。我很佩服竹子大哥，它们决定留在森林里发展，而且打拼得很成功。我们禾本家族的一大特点，就是风媒传粉。为了不让花被片影响花粉传播，花萼、花瓣什么的都退化了。可是在茂密的森林里，那么多乔木高高在上，林下的风很小，对竹子的传粉不利。为了应付这种局面，竹子想了两种对策：一部分竹子从风媒传粉变成了虫媒传粉，虽然它们仍然没有艳丽的花朵，却演化出了蜜腺，可以靠蜜汁吸引昆虫。更多的竹子放弃了年年开花这种吃力不讨好的事情，一生中大部分时间里都在进行营养繁殖。每隔若干年，这些竹子商定好同时开花，于是——哗——原本青竿绿叶的竹子突然长出了好多像稻穗一样的花朵！从20世纪70年代开始，四川西部的箭竹陆续开花、枯死，这可让大熊猫遭了殃。

　　很多竹子一生只开一次花、结一次实，开花之后就会死去，为的是给下一代腾出生长空间来。

　　皱稃草亚科

　　说过竹子，再来说说皱稃草它们家。皱稃草大家还比较陌生，因为它原产非洲，只在最近十几年中才入侵到中国西南地区。但一说起皱稃草亚科中最有名的植物——水稻，你一定会说：熟悉，太熟悉了！正如“水稻”一名显示的，皱稃草亚科这一支最大的特点就是在水边和水里发展，给禾本家族开辟了一块新天地。

　　早熟禾亚科

　　在B EP这一支里，无论是竹亚科还是皱稃草亚科，都没有我们早熟禾亚科来得人丁兴旺。从四五千万年前开始，我们这个亚科就开始向寒冷地区扩张。在大约3000万年前的渐新世，我们更是如鱼得水，占据了温带地区的许多地盘。从这个时代开始，地球气候发生了剧烈变化，平均气温不断下降，白垩纪以来的那种温暖潮湿的气候变得寒冷干旱，在大陆的腹地表现得更为明显。久而久之，需要足够水分才能存活的乔木们纷纷受不了离开了，只有耐寒耐旱的草本植物和少量灌木坚持了下来。原本的森林，就这样逐渐退却，被新生的广阔温带草原所取代。

　　温带草原是地球上最壮美的景观之一。虽然这里的冬季一片凋敝，但是在植物的生长季节，在由我们禾本家族们搭建的绿色背景之上，许许多多的杂类草竞相开出五颜六色的花朵，那景色实在令人沉醉。地球上面积最大、最著名的温带草原是横贯欧亚大陆中部的欧亚草原，也叫“斯太普”草原。欧亚草原不仅是马的故乡，也是许许多多游牧民族的故乡。南美洲南部的温带草原就是著名的“潘帕斯”草原了。在15~17世纪的“大航海时代”，许多西班牙人来到这里，和当地人混血，形成了英勇彪悍的高乔人，经营着规模庞大的畜牧业，直到今天。

　　无论是欧亚草原还是潘帕斯草原，我们早熟禾亚科的针茅都是当之无愧的禾草领袖，数目最多，地位也最重要。针茅的果实非常狭长，下端锐利如针，上端带着一根长长的芒，仿佛是针上穿的线。当针茅的果实成熟之后，就会掉到地面上。白天空气干燥的时候，芒会舒展开来；晚上空气湿润的时候，芒会吸水扭曲成螺旋状，像一把螺丝刀一样把果实往土壤里扎。就这样，许多个昼夜过去，针茅的果实也就一点一点钻进了土壤，剩下的事情就是等待寒冬过去，好在春天萌发。

　　对抗寒冷有办法

　　早熟禾亚科的植物为了对抗寒冷，演化出一套独特的机制，比如会在细胞中积聚果聚糖，可以降低细胞溶液的冰点，保护细胞在低温下免受冻害。南极发草则把茎叶紧紧堆拢在一起，形成密密的一团，看上去像是地上的草垫，这样在刮寒风的时候可以有效降低热量的散失。无独有偶，安第斯高山上的卧针草也属于这种“垫状植物”。

　　PACCMAD支

　　和BEP支一起出现的另一支，名字有点长——叫PACCMAD支。它是由七个亚科组成的，其中最大的一个叫黍亚科。这一支的兄弟和我们一样在地球气候发生大变化的时候走出森林，但和我们不一样的是，它们主要在热带地区发展，成为构建“萨瓦那”草原（也叫热带稀树草原）的主力。最有名的热带草原自然是纵贯非洲的非洲大草原了，它是许多大型哺乳动物的老家，也是人类的老家。人类在历史上曾经三次大规模走出非洲，每一次都是从东非大草原出发的。北美洲的“普莱利”草原虽然是温带草原，但可惜不是我们早熟禾亚科的地盘，而是这些热带亲戚的地盘。不过来自普莱利草原的野牛草和我关系挺铁，因为我们都是著名的草坪草嘛。

　　我最叹服这些热带亲戚的一点是，它们演化出了一种新的光合作用机制——C4机制。比起我们这些“C3植物”来，它们在炎热干旱的条件下照样可以茁壮成长，而且对二氧化碳的利用效率比我们更高。这真是“一方水土养一方人”啊！

　　C3植物和C4植物

　　C3植物在进行光合作用时，二氧化碳先是被转化为一种含3个碳原子的物质。C4植物在进行光合作用时，二氧化碳则是先被转化为一种含4个碳原子的物质。因此，它们固定碳的机理大为不同，连叶片的解剖结构都不同。

　　植物粮食家族

　　我们禾本家族是最受动物欢迎的植物家族，没有之一。除了在身体里的植硅体考验食草动物的牙齿之外，我们几乎不合成什么有毒化学物质。所以，有很多食草动物都以我们的茎叶为食，还有很多的动物喜欢吃我们富含淀粉的种子——人类也不例外。

　　禾本科为人类贡献了最多的粮食作物，光是数一数最常见的那些就能数出十来种——水稻、小麦、大麦、裸麦（青稞）、黑麦、燕麦、莜麦、玉米、高粱、黍（黄米）、粟（小米）、珍珠粟、湖南稗子、穇、薏苡……其中，我们早熟禾亚科以及黍亚科出的谷物最多，上面那些带“麦”字的谷物就都属于早熟禾亚科。

　　禾本科能出这么多的谷物，不只是因为它们毒性低，还因为它们的籽粒大，便于采集和加工。这些籽粒大的禾草往往都是一年生植物，它们的地理分布也有一定规律，通常都产自一年里有一段时间不适合植物生长、气候指标年际变化大的季风地区，比如地中海地区、中国东部、印度、墨西哥、非洲大草原北缘等。这些地方也因此成了农业起源的中心地区。

　　在粮食作物的驯化和育种过程中，人类不断把有利的性状筛选出来。比如野生谷物容易落粒，不便采集，但是一旦出现了籽粒成熟后不落，而是留在禾穗里的突变，人类就会大量种植它，后来所有的谷物便都不再落粒了。

　　今天，生命科学已经进入分子生物学时代，生物学家们不满足于过去较为盲目的育种，开始破译谷物的遗传密码，希望能够有的放矢地改善谷物的性状。

　　“中国杂交水稻之父”袁隆平就设想，把热带禾本科植物体内的C4基因转到水稻这种C3谷物体内，让水稻产量进一步提高。

　　世界三大粮食作物的基因组测序进展

　　2002年，水稻成为第一个测完全基因组序列的粮食作物；2009年，玉米的全基因组测序完成；今年，小麦基因组的序列草图也搞定了。

　　撰文/刘冰

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