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2020-5-22 09:01 上傳
今天來聊一聊我們的口糧。
水稻（Oryza）是一種草，也是全世界一半人的能量來源，全世界90%的大米在亞洲被吃掉。
既然是水稻，而且從小到大看到的稻田似乎總是有水，很多人想當然地認為水稻是喜歡水的水生植物。
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其實不是的，水稻被灌水主要原因是為了干死雜草，第四聲。
根據國際糧農組織（FAO），水稻是唯一一種可以在泡在水里的情況下還能存活的谷類作物，給稻田灌水是重要的除草方式，可以避免雜草滋生和除草劑的使用。國際水稻研究所（IRRI）也表示，漫灌法是控制稻田雜草的最好辦法。
稗草（barnyardgrass）、異花莎草（smallflower umbrellaplant）等雜草都是喜歡和水稻扎堆玩耍的雜草，完全不在乎社交距離。
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稗草 圖片來源：UMissouri
如果不及時除草，水稻由于雜草的競爭就會長不帥。雜草有多可怕呢，每平方米只要有10株雜草，水稻的產量就會下降25%。而且，雜草的種子如果和稻米混在一起，就會影響稻米的品質和價格。
雖然這些長期跟著水稻混的雜草或多或少對淺水有一定適應性，但誰也沒有水稻這樣能適應漫灌。所以人類早就摸索出了水田種水稻的方法。
是這樣的，受到菲克第一定律的支配，水中的擴散系數(shù)比空氣要小1萬倍，因此植物很難在水下呼吸。雜草的種子也需要氧氣才能發(fā)芽，給它們灌灌水，就能把它們扼殺在萌芽狀態(tài)中。
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當然，水稻也不能忍受長時間泡水。
被水淹的一段時間里，水稻看起來很蒼白疲軟硬不起來。一般來說，水稻能忍受48小時的漫灌，然后要把水及時排干。等它們硬起來了，要重復幾次漫灌。
不同水稻品種能忍受的水深不同，通常稻田的水深在5-20厘米左右。深水當然能淹死更強的雜草，但也會把水稻一起帶著螺旋升天，所以農民大大需要掌握水深和野草數(shù)量之間微妙的平衡。
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所以，水稻是怎么適應泡水的環(huán)境的呢？
稻米最早是在9000年前在亞洲被馴化的。實際上，雖然人類很早就開始用漫灌法種植水稻，但對這種方法的原理的認識時間僅80年不到。
20世紀40年代的二戰(zhàn)期間，荷蘭植物學家 MH van Raalte 在爪哇（今印尼）的茂物植物園首次研究水稻忍受漫灌的性質。經過幾十年的研究，科學家們終于發(fā)現(xiàn)了水稻的下面這些耐水技能。
首先，泡水后，水稻會長個兒，讓葉片露出水面，這就是泡苗助長。
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濕地植物莖的通氣組織 圖片來源：wikipedia
第二，泡水后，水稻會自發(fā)讓根部的一些細胞死亡，形成通氣組織（aerenchyma）。
根部的通氣組織和葉片聯(lián)通，相當于吸管，讓根部可以在水下自由暢快呼吸，通過這種方式把根留住。而秧苗能在缺氧的情況下也能產生類似潛水呼吸管的胚芽鞘（coleoptile）。
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水稻秧苗用于呼吸的胚芽鞘（紅圈所指）
水稻的另一個技能是，當它們的葉子也泡了水以后，葉子表面能夠吸住一層空氣，這樣葉片可以和水進行間接的氣體交換。
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水稻一類的半水生植物泡入水中的葉片表面會形成氣體薄膜 圖片來源：(DOI)10.1104/pp.112.208173
此外，水稻的“酒量”還不錯。
雖然植物也可以在短時間內進行厭氧呼吸，但是厭氧呼吸產生的有毒代謝廢物乙醇會迅速累積，把植物醉死。但是，水稻的根對乙醇的耐受力很強，這樣讓它可以在長出通氣組織前忍受一段時間的缺氧。
當然，也有少數(shù)雜草，比如水毛花（roughseed bulrush）是和水稻一樣的水貨，能夠忍受深水，所以它們是水稻除草劑的主要應用對象。
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馴服這樣強的艸，人類也是花了很大的功夫。你大概不曉得，人類直到現(xiàn)在還在和想要變野的水稻搏斗。
吃過所謂的紅米吧？這是一種特別的水稻品種嗎？其實不是。紅米就是野化的水稻（weedy rice），也就是想返祖的浪子。
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紅米 圖片來源：wikipedia
華盛頓大學路易斯分校的水稻學家 Kenneth Olsen 和同事于2013年發(fā)表在Journal of Evolutionary Biology上的一項研究發(fā)現(xiàn)，水稻曾經經歷2次出世2次入世：先在非洲和亞洲分別獨立被馴化，接著又在后來的1千年里經歷了去馴化（de-domestication），也就是回歸野性。
所以到底什么叫水稻被馴化了，什么又叫變野？
是這樣的，所有被馴化的動植物都會出現(xiàn)馴化綜合癥（domestication syndrome），對于水稻來說這主要是不會落粒（shattering）。
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落粒的野生稻（左）和不落粒的馴化水稻（右） 圖片來源：（DOI）10.5334/ai.1314
水稻的祖先還是野貨時，還沒成熟的種子就會自動彈飛，那農民掰掰還怎么去收拾對吧？馴化后，種子會乖乖掛著直到成熟。
另外，馴化后的水稻種子更大，發(fā)芽時也不會出現(xiàn)野貨那樣的休眠期，這樣種子們可以一起發(fā)芽生長，一家人整整齊齊被收割。
水稻野化的另一大特征就是外殼——行話叫穎殼的顏色變淺，這也和我們提到的紅米有關。
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水稻的穎殼 圖片來源：wikipedia
雖然非洲等地有些水稻的穎殼是彩色的，但大部分水稻的穎殼是卡其色的，放到田里看是金燦燦的。
不過變野之后，穎殼就會黑化返祖，變成黑色或者紅色等奇奇怪怪的顏色。
一個著名的野化品種就是紅米，它是亞洲水稻 Oryza sativa 受到野性召喚的結果。另外一種比較少見的野化品種是棕米，它是亞洲水稻亞種 indica 走了野路子后產生的。
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美國阿肯薩斯一些稻田里的野化的水稻的種子 圖片來源：Kenneth Olsen
紅米的穎殼黑粗硬，口感不如白米，而且產量比正牌水稻低很多。2005年發(fā)表在 Weed Science 上的一項研究發(fā)現(xiàn)，每平方米只要有25株紅米，稻田的產量就會下降60%，因此紅米被妥妥地貼上了“雜草”的標簽。
從基因上來說，野貨和正牌差別不大，就像沒法區(qū)分哪吒和娜扎一樣，因此能讓紅米撲街的除草劑也會把水稻帶走。這也是紅米可以囂張橫行的一個重要原因。
Olsen 表示，被野貨污染的稻田收成后，說好的白米其實上變成了紅米，所以許多農民沒有辦法也就拿出來賣了。好在紅米的抗氧化劑花色素苷含量比較高，因此有很好的保健賣點。
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一個不幸的消息是，隨著20世紀80年代開始的機械化種植的發(fā)展，野貨渾水摸魚的情況越來越嚴重，歐洲和巴西40%以上的稻田都有混進來的紅米。
這是因為，在過去使用人肉插秧機的時候，插秧機人工識別出野貨時，可以手動找茬摘除。
但是現(xiàn)在很多地方采用直播的方式種田，也是把種子直接撒在田里發(fā)芽生長。而野貨和正牌小時候的長相十分相似，難以分辨，等到野貨長大了再跟它算賬也就晚了。
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Olsen 表示：“對水稻來說，去馴化的野貨是非常有攻擊性的競爭者，它們在美國和全世界都在搞事情。
一些地方的農民已經放棄種水稻，轉而種這些野草化的品種了，因為它們被當作健康食品宣傳。確實，紅米富含抗氧化物，因為抗氧化物是植物的防御物質，但實際上它們本質就是雜草。”
水稻里有水但不是因為喜歡水，就像學生里有學但不是因為喜歡學。
關于作者：“把科學帶回家”由世界科普圣經《科學美國人》中文版《環(huán)球科學》主辦，致力于為孩子帶來最好的科學教育。
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