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左昕昕等-PNAS:微体化石分析新方法揭示约一万年前水稻在长江下游开始驯化
2017-05-31 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

  水稻(Oryza sativa L.)是目前世界上最重要的粮食作物之一,全球超过半数以上人口以水稻为食。古往今来,稻作农业为中华文明的发展和繁荣提供了重要的物质和文化的基础。而关于水稻是何时、何地、在什么环境下开始驯化等问题一直是国际学术界关注的热点。
  浙江省浦江县上山遗址是长江下游地区上山文化遗址群中最早的新石器遗址,长期以来由于上山遗址最下部地层中(第8文化层)缺少直接测年的有机物质或水稻炭化种子,对于上山文化开始的时间、水稻出现时间以及水稻是野生还是驯化的状况一直没有可靠的证据和明确的认识。在缺少有机质的文化层中,如何寻找新的定年材料与方法和发现能够鉴定水稻的标志物,是多年来限制水稻起源研究的瓶颈,也是国际学术界长期面临的难题。中科院地质地球所新生代地质与环境院重点实验室吕厚远研究员学科组与国内同行合作,利用植硅体14C测年和形态鉴定新方法,揭示出距今约1万年前水稻在长江下游地区开始驯化,进一步确立了我国早期水稻驯化在世界农业起源中的地位。
  
植硅体是沉淀在高等植物细胞组织中的二氧化硅矿物,其形成过程中封闭了植物细胞组织中原有的有机碳,其含量可以达到植硅体重量的0.3-6%左右,是14C定年的新材料。吕厚远研究员学科组建立了从地层中提纯植硅体的新方法,并利用提纯植硅体中包裹的有机碳进行14C测年,为了验证植硅体14C测年的可靠性,首先对湖西遗址(上山文化晚期)多组文化层相同层位提取的植硅体和植物炭化种子(或碳屑)的年龄进行了对比(图1A),发现两者年龄在误差范围内是一致的,证明植硅体测年是可靠的。在此基础上对上山等遗址早期文化层的植硅体进行了系统14C测年(图1A),结果显示,上山遗址早期的年龄至少在9400 cal yr BP之前。 
  
  基于现代野生稻和栽培稻的植硅体形态鉴定统计标准,他们发现上山和荷花山早期文化层中(ca.9400 cal yr BP)鱼鳞纹饰大于9个的水稻扇型植硅体比例达到36%左右(图1B、C),远大于现代野生水稻土壤17 %左右的比例。上山和荷花山晚期(ca.8600 cal yr BP)文化层中鱼鳞纹饰大于9个的水稻扇型植硅体比例达到55%左右(图1C),低于现代栽培稻土壤的67%的比例,反映水稻驯化程度的扇型植硅体个体大小,从早到晚也呈现出逐渐变大的趋势,说明在上山文化早期,水稻驯化已经开始,而且驯化是一个漫长的过程。考虑到上山遗址早期植硅体测年的层位离第8文化层底部有约6cm左右的距离和水稻缓慢驯化的速率,他们认为水稻开始驯化的年代大致在距今约1万年前后的全新世开始时期。

   

     图1 上山遗址的地理位置以及植硅体测年、形态鉴定结果   

    A植硅体测年结果以及与其他测年材料结果对比(95%的置信区间,红色代表植硅体年龄,灰色代表植物种子或碳屑年龄);B水稻扇型植硅体以及边缘鱼鳞纹饰;C上山、荷花山和湖西遗址文化层水稻扇型植硅体形态变化(VL代表长,HL代表宽,红色菱形代表鱼鳞纹饰大于9个的水稻扇型植硅体占所有水稻扇型的比例) 


  该研究表明,我国长江下游地区水稻驯化的时间与世界上主要农作物(西亚的小麦、中美洲的玉米)开始驯化的时间基本上是同步的,都发生在更新世末向全新世初过渡的时期,水稻开始驯化的时间对应了约1万年前后东亚季风开始增强、气候逐渐变暖、变湿的气候环境背景,这与全球气候格局在该时段内的重要转变有着密切的关系。
  以上研究成果于2017年5月29日在线发表(Early Edition)在国际知名学术期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,简称PNAS)(Zuo et al. Dating Rice Remains Through Phytolith Carbon-14Study Reveals Domestication at the beginning of theHolocene.PNAS, 2017, doi/10.1073/pnas.1704304114),并被推荐为亮点成果。该研究得到了科技部973项目、国家自然科学基金项目和中国博士后基金项目的资助,左昕昕博士后为论文第一作者,吕厚远研究员与张健平副研究员为共同通讯作者。浙江省文物考古研究所和中科院地理科学与资源研究所等学者参加了合作研究。

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