植物知道生命的答案
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作者(美)丹尼尔·查莫维茨
出版社贵州科技出版社
ISBN9787553211312
出版时间2022-11
装帧精装
开本16开
定价98元
货号31627083
上书时间2024-10-12
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商品详情
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作者简介
丹尼尔•查莫维茨，耶路撒冷希伯来大学遗传学的哲学博士，现任以色列特拉维夫大学生命科学院院长。他长期固守科学领域，引领读者在科学范围内观察和研究植物。《植物知道生命的答案》是他多年研究的成果。
目录
第一章？植物能看到什么/ 001
植物学家达尔文/ 006
马里兰猛犸：不停生长的烟草/ 008
奇妙的光周期现象/ 009
遗传学时代的失明植物/ 012
植物和人类一样有视觉/ 014
第二章？植物能嗅到什么/ 021
未有解释的现象/ 025
菟丝子的喜好/ 027
叶子的窃听/ 030
植物的嗅觉很灵敏/ 037
第三章？植物能尝到什么/ 043
饮水的植物/ 049
当心！干旱来袭！/ 051
抢水喝的植物/ 054
植物喜欢吃的肥料/ 056
第四章？植物能触到什么/ 063
捕蝇草/ 068
含羞草的电运动/ 071
起负面作用的触碰/ 074
植物和人类的触觉/ 078
第五章？植物能听到什么/ 085
摇滚植物学/ 089
耳聋基因/ 096
植物是“聋子”？/ 099
第六章？植物如何知道身在何处/ 109
植物也能分辨上下/ 114
运动激素/ 120
跳舞的植物/ 121
有平衡感的植物/ 126
第七章？植物能记住什么/ 131
捕蝇草的短时记忆/ 136
对创伤的长时记忆/ 139
植物也要经历春化/ 141
“记忆”也会遗传？/ 145
植物也有智力/ 147
结语：有意识的植物/ 153
致谢/ 163
内容摘要
走进你不知道的植物世界，思考生命真实的存在！
捕蝇草是怎样知道何时该闭拢叶子？它们真的能感觉到昆虫微小而细长的腿吗？樱花树是怎样知道何时该开花的？它们真的能记住天气吗？
几个世纪以来，我们不断惊异于植物的多样性和形态。著名生物学家丹尼尔？查莫维茨在《植物知道生命的答案》一书中，对植物如何体验世界给以我们严谨而引人入胜的简介。
作者通过介绍遗传学等领域的研究成果，把植物的感觉和人类对比，展示了植物是如何分辨上下，如何知道邻近同类已遭饥饿甲虫的侵害；以及植物是否欣赏齐柏林飞艇乐队的音乐，或者巴赫旋律优美的连复段。
作者考察了植物的触觉、听觉、嗅觉、味觉、视觉甚至记忆，难能可贵地对我们踏过的草丛、嗅过的花朵、爬过的树木给予高度关注，带领我们走进植物的内在世界。
新版《植物知道生命的答案》（彩插珍藏版）全书逐页审读，全新精校。更插入20余幅古典植物彩图，希望能帮助大家更好地欣赏一花一木，了解植物是如此多样丰富，重新思考人类与植物之间的关系，对万物生灵心存敬意。
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在这本重构了植物形象的出色著作中，查莫维茨通过大量研究揭示了植物意识的程度和类型。/《自然》
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作者丹尼尔•查莫维茨现为以色列特拉维夫大学生命科学院院长，他长期固守科学领域，引领读者在科学范围内考量植物。译者刘夙为中国科学院植物研究所博士研究生、上海市优秀科普作家、植物学文献和植物学史研究者。
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精彩内容
我们已经知道，菟丝子可以嗅到它的猎物，区分它所喜爱的番茄和它所讨厌的小麦。我们可以说这种植物有口味偏好。我自己也尝过番茄汁和小麦草汁，凭着这些体验，我可以有把握地说菟丝子还真是挺会挑的。不过，这真的意味着菟丝子和其他植物能到味道吗？
还是让我们先看一下我们自己的味觉，再判断植物是否能尝到什么。人类的味觉与嗅觉非常相似。我们闻到的是挥发性的化学物质，尝到的则是可溶性的化学物质。比如说，我们能闻到柠檬皮中的柠檬烯，能尝到柠檬酸——正是它让柠檬变得奇酸无比。对我们哺乳动物来说，味觉就是口部和喉部接触到一种物质时所觉察到的风味感觉。而且正如我们的鼻子里有嗅觉受体可以与挥发性分子结合，对它们做出反应，我们的嘴里也有数以千计的味蕾可以与可溶性分子结合，对它们做出反应。虽然你可能会以为舌头上那些微小的突起就是味蕾，但它们实际上叫作“舌乳头”，每个舌乳头都包含有很多味蕾（口腔其他部位也是如此）。每个味蕾又含有5种味觉感受器，可以尝到5种基本味道——咸、甜、苦、酸和鲜。每一个味觉感受器都与味觉神经相连，最终连到脑中的味觉中枢。
味蕾里面味觉感受器的作用方式也很像鼻子中的嗅觉感受器，都拥有类似锁钥系统的机制。一种溶解在水中的特定化学物质可以与感受器外面的一种专门的蛋白质结合。比如说，咸味感受器可以与钠结合，钠附着到咸味感受器上之后，一个电信号就此生成，并从咸味感受器传播到味觉神经元，再抵达脑中的味觉中枢，然后脑便把这个信号解释为咸味。因为一个味蕾可以同时对多个信号做出反应，我们的舌头可以感受到非常复杂的味道组合，其中就有我们喜欢的一些风味。
植物显然没有嘴巴，但它们确实能区分不同的溶解性化学物质。如果把植物比拟为动物，那么它们的“舌头”就在根部。植物的根扎入土壤，除了吸收必需的水分和矿物质，满足营养、生长和发育的需求，还可以感知土壤中来自邻近的根和微生物的化学信息。就像我们的营养需要从我们所吃的食物（食物在这段旅程的开头会让我们尝到味道）获取一样，植物从土壤中吸收的矿物质也是植物营养的必需成分。
和人类不同，植物知道如何生产大部分养分。我们人类需要通过摄取动物性或植物性食物来获得热量；植物却有独特的本领，可以为自己制造热量（然后又被我们吃下）。植物通过光合作用制造糖分，所用的基本材料只是二氧化碳和水，之后又把这些糖分转化为蛋白质和更复杂的糖类（碳水化合物）。不过，尽管植物可以给自己制造糖分，但它们仍然需要依赖外部资源获取生命必需的矿物质。如氮、磷、钾、钙、镁、铁、锌、硼、铜、镍、钼和锰这些微量元素都是植物营养的关键组分。以光合作用为例，如果没有大量镁和锰的支持，它就不可能发生。每一个绿色的叶绿素分子中央都含有镁，好比我们血液中红细胞里的每个血红蛋白分子中央都含有铁。锰离子在光合作用过程中的一个叫“水裂解”的步骤中不可或缺。在这一系列非常复杂的光化学反应中，电子从2个水分子中剥夺出来，运送给光合蛋白质。太阳光可以激活这些电子，形成非常类似电池的电化学梯度，从而为叶绿体提供动力。水裂解的副产物之一是由一对氧原子形成的氧分子（O2），释放到空气中就成为我们呼吸的氧气。锰因此构成了一座化学桥梁，把电子从水中导出，供光合作用之用。如果没有锰，水就不能裂解，我们也无氧可吸。所以，植物在土壤中尝到的东西对它（以及我们）的生存极为重要。
人类的味蕾为每一种味道都准备了专门的细胞；相比之下，植物则采取了一种较为通用的策略。植物的根里并没有专门感知镁或专门感知钾的细胞，但每个细胞都拥有专门的一套受体，负责处理各种矿物质。比如说，在根细胞的外层上就能找到两类蛋白质，可以与氮结合，把氮运输到根里。在根细胞的细胞膜上还能找到至少两类不同的蛋白质，可以感觉到锰。对每一种大量元素和微量元素，科学家都识别出了能与它结合的特殊蛋白质。因此，每一个细胞都含有许多这样的蛋白质，可以让细胞识别和吸收土壤中各种各样的矿物质。对人类来说，尝味和营养吸收是彼此分离的生理过程，但与此相反，植物的受体与养分结合的过程可以让养分内化在整个植物体内运输，这样就把感觉、信号传递和营养吸收直接联合在一起了。
在某个具体时刻，植物可以调节某种矿物质的吸收量。比如说，当植物受到胁迫时，会吸收更多某种可以帮助它们渡过难关的矿物质。举个具体的例子：根据近期的一项研究，如果土壤的pH变小（即土壤变得较酸），拟南芥的根在感受到这一酸度变化之后，就会比正常条件吸收更多的镁。这种土壤变酸的事件在农业生产中经常发生，是不合理施肥导致的。营养缺乏也会触发植物的反应。比如生长在缺铁环境中的拟南芥的根就会分泌香豆素之类化学物质，科学家认为它们要么有与铁结合的能力，要么可以杀死附近那些能利用仅有的少量铁的微生物，从而起到保护自身的作用。
植物能感知土壤中的矿物质，并调控某种矿物质的吸收量，就此而言，植物肯定知道它在干什么。根从土壤中吸水，通过木质部——里面有植物输水的“血管”——把水输送到茎叶。根从土壤中获取养分的过程以及养分在根细胞之间输送的过程最终都要受到严密的生物调控。尽管在单个的根细胞之间，矿物质只能被动地吸收和溶解，但是根却可以对矿物质进入木质部的过程加以严密的调控。
为了理解根如何调节这个过程，我们需要了解一点根部结构的知识。如果你把胡萝卜横向切成适于生吃的薄片，那么你会在切片的中间看到一个圆环，这个圆环叫作维管柱。维管柱含有许多木质部管道和韧皮部管道，前者把水分从根输送到叶，后者把糖分沿着相反方向从叶输送到根。（你可以做个便捷的小实验：把胡萝卜片再分成几个部位，看看哪个部位最甜。你会发现是胡萝卜片中部最甜，那里就是韧皮部！）而如果你把胡萝卜纵向切开，则能看到维管柱贯穿了胡萝卜的全长。矿物质在向上输送到植物地上部分之前，要先进入维管柱，再进入木质部管道，它们进入维管柱的第一步则是穿过一层名叫内皮层的、薄薄的组织（没有显微镜很难看清）。内皮层包围在维管柱外面，而它本身在细胞外面又包有一圈蜡状的物质，可以阻止水分和矿物质从细胞间隙渗入、渗出。这样一来，矿物质就必须穿过内皮层细胞的细胞膜，才能从内皮层外侧到达内侧，然后进入木质部。而且只有当内皮层细胞膜上存在某种矿物质的专门受体，且其处于活动状态时，矿物质才能向内输送。内皮层因此扮演了门卫的角色，可以通过调控来决定哪些矿物质能进入木质部、到达植物其他部分，哪些矿物质不能。因此，如果和我们自己的消化系统做个宽泛的比较的话，植物首先“尝”到根表面的土壤中的矿物质，然后会在内皮层这里最终决定哪些矿物质要充分地摄取、内化（就像我们的肠道也能调节养分的摄取一样）。而在更基本的层次上，植株尝味的机制与人类维持矿物质内稳态的机制非常相似。
饮水的植物我们都知道，光是吃东西还不足以让人活下去。我们还需要水。植物也是如此。它们不仅需要水来进行光合作用，而且和我们一样要维持细胞的水平衡。而所有植物的叶和茎都需要水来保持直立状态。如果你忘记给家里养的花浇水，那么你会看到它们的叶子卷起，茎秆打蔫。这是因为植株细胞失去了水。根从土壤吸水，通过木质部把它运送到枝叶中。植株的需水量变化很大。正在生长的植株比休眠的植株需要更多水分，植株在炎热的天气中要比在凉爽的天气中需要更多水分。水还能让溶解在其中的矿物质从根部输送到需要矿物质的叶，或是让溶解在其中的糖分从叶输送到根部。植物甚至还有独特的出汗方式——蒸腾作用。植株在热天会比在冷天损失更多水分，因为热天水会在叶上蒸发，给植株降温。你是否曾经觉得奇怪——为什么天然的禾草在大晴天也不会变热，而人造的假草却能烫得让你难以下脚？其实这就是蒸腾在发挥着作用。植株会因为蒸腾作用而持续不断地失水。在单独一个炎热的夏日，一棵栎树就能蒸腾掉100多加仑［2］的水！
显然，植物在土壤中能获得多少水和能获得多少养分一样，都会影响和限制它的生长。根作为最先与土壤中的水和养分打交道的器官，需要具备找到水和养分的能力。换句话说，要能在土壤中“尝”到它们。
植物可以在向光性运动中感知到光，在向地性运动中感知到重力（即植物可以区分上和下，我会在第六章中加以详述）。科学家对这两种运动的有关分子机制已经了解得相当清楚了。然而，早在19世纪，伟大的植物学家尤利乌斯冯萨克斯就描述了植物感觉到水、向水生长的现象，而这种向水性的机制对我们来说仍然是个谜。我的朋友希勒尔弗罗姆是特拉维夫大学植物科学与食品安全学院的研究者，他的团队一直想解开这个谜。他们的研究表明，在干燥沙土中穿行的植物的根会向水源弯曲生长。令人意外的是，尽管生长素这种激素对于植物的向光弯曲至关重要，但根的向水弯曲却并非受生长素控制。因此，虽然表面上看都是弯曲生长，但植物显然有不止一种让自己弯曲的机制。
当土壤水位下降时，根还能向植物体的绿色部位发出信号，植物就利用这个信息改变根系结构。有趣的是，尽管你可能会认为植物在周围水分不足的情况下会减缓生长速度，但在缺水初期，事实恰恰相反。植物在干旱初期经常会加快根向深层土壤生长的速度，以便搜寻新的水源。与此同时，植物又会停止浅层根系的生长，因为那里的土壤通常最为干旱。植物就这样押上赌注，集中精力向最可能找到水的地方长去。虽然我们已经知道水如何进入植物细胞，但经过多年研究之后，科学界才开始了解植物如何感觉到水在哪里、如何决定把根向深处扎去。
当心！干旱来袭！
在上一章中，我讲到了伊安鲍德温和其他植物生物学家的研究表明植物可以利用挥发性化学物质传递细菌入侵或食草动物来袭的消息。那么，植物能用根来传递缺水的信息吗？
我的同行阿里埃勒诺沃普兰斯基和他在本古里安大学的研究生好奇植物对环境状况的通信。更具体地说，他们想看看在最佳环境中生长的植株如果种在靠近受到环境胁迫的植株旁边，在行为上是否会有差异。换句话说，处于干旱中的植株是否能给邻居报信，告诉它恶劣的环境即将来临？
他们管这个实验设计叫“分根”。在分根实验中，将一棵植株从花盆中取出，再把它的根分成两部分，分别种在两个盆（1号盆和2号盆）里。然后，将第二棵植株也从花盆中取出，把它的根分成两部分，其中一半根种在有第一棵植株的盆（2号盆）里，另一半根则种在一个新盆（3号盆）里。同法将第三棵植株的一半根种在有第二棵植株的盆（3号盆）里，另一半根则种在一个新盆（4号盆）里，以此类推。在他们的研究中一共用了7个盆，串联起6棵豌豆（）。研究者通过改变1号盆的环境，使第一棵豌豆处在人工模拟的干旱环境中。通过添加一种叫甘露醇的非活性糖［3］，他们可以马上模拟出干旱环境。植物科学家经常使用甘露醇来诱发植物的干旱反应。 植物缺水之后最早做出的反应之一，是关闭叶片上气孔。如果用显微镜观察，气孔看上去就像一张张小嘴。这些小孔可以让光合作用所需的二氧化碳进入植物体，让光合作用产生的氧气逸入大气层。在蒸腾作用中，水蒸气也可以通过开放的气孔逸出。植物会主动开闭气孔，作为对环境的反应。比如植物要在干旱时期减少水分损失，就会主动关闭气孔。尽管这显然会放慢光合作用的速度，甚至使光合作用停止，但可以保护水分，让植物适应暂时的缺水状况而存活下来。根会释放信号告诉气孔何时关闭。
诺沃普兰斯基及其学生发现，在他们把甘露醇添加到1号盆的土壤中之后，尽管第一棵豌豆有一半根（2号盆）仍然保持良好的浇水状态，但它还是在15分钟之内关闭了气孔。这样迅速的反应并不令人意外，人们好多年前就知道了。但出乎意料的是，在甘露醇添加到第一个盆之后的15分钟之内，第二棵豌豆的气孔也关闭了，而它有一半根与第一棵豌豆的一半根一同种在同一个浇水良好的花盆（2号盆）中。这个反应使研究团队推测，有一个信号从同一棵植株受到胁迫的根传递到了未受胁迫的根，又导致未受胁迫的根释放了某种化学信号到土壤中，而使邻近的植株知道可能有干旱正在逼近。
当诺沃普兰斯基检查另几棵相邻的豌豆，也就是编号为3、4、5和6号盆里的植株时，发现它们叶片上的气孔也在1号盆添加了甘露醇之后关闭了，只是需要的时间比较久。换句话说，他们监测到信号可以从受胁迫的植株到离它最近的未受胁迫植株进行接力传递，从最初的胁迫发生地点一气传到了五个花盆远的植株那里！他们知道这个信息一定是通过土壤传递的，从根系到根系，因为如果把豌豆种在各自的盆中，让相邻的植株根系不接触，那么即使把它们放在很靠近第一棵豌豆的地方，它们的气孔也看不出有任何反应。
诺沃普兰斯基的实验结果并不一定意味着受胁迫的植株会“有意”提醒它的邻居。“意图”这个词在植物生物学中显然是个不可靠的概念。尽管这种可能存在的利他行为确实深深扎根（我不是有意使用这个双关语）于演化生物学理论中，特别是在考虑群体适应性的时候，然而根的通信也可以解释为一种植株内的现象。不妨想想一棵树，它的根可以向外扩展到几米远的地方，这时候它的一部分根遇到的土壤非常可能比另一部分根遇到的土壤更干旱。这时候，最先遭遇水分不足的根就可以通过向土壤释放化学信号来提醒它的姐妹根，干旱已逼近，于是整棵树都可以迅速应对这种环境挑战。诺沃普兰斯基研究组又进一步考察了“根际正相互作用”这个概念，他们指出，根到根的通信甚至可以调节植物的开花时间。他们的研究表明，把低芥酸油菜植株种在短日照的实验室环境中，花期本来会推迟，但如果另有低芥酸油菜植株种在诱导开花的长日照环境中，从长日照环境中低芥酸油菜的土壤中提取水分去浇灌短日照环境下的低芥酸油菜，就可以让它们更早开花［4］！尽管这一通信中的具体化学物质还不清楚，但它肯定能被根尝到味道。
抢水喝的植物膏香木是一种荒漠灌木，在英文中通常叫“查帕拉尔”（chaparral）或“杂酚油木”（creosotebush），在墨西哥则叫“女总督”（gobernadorageneral）。膏香木可以抑制周围植物的生长，把宝贵的水资源占为己有。如果膏香木是个国家，联合国就会指责它没有尊重邻国的水权！然而，植物如何知道邻近的其他植物是它的朋友或仇敌呢？如果是仇敌的话，膏香木又如何保证自己能占据水资源，而邻近的其他植物却得不到水分？
加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的布鲁斯马哈尔推测，是膏香木的根部在地下看不到的地方隐秘地打着这场围困战。如果一株植物的根可以限制另一株植物的根生长，那么这就能解释为什么膏香木和其他植物——比如豚草属的沙丘木豚草［5］——在自然界中会彼此分离，形成分布均匀、界限清晰的灌木丛。
为了检验这个假说，马哈尔及其研究生雷根卡拉威做了以下实验：首先，他们把沙丘木豚草和膏香木分别种在单个的浅盘中，浅盘的底部透明，可以让研究者看到根部。这样一来，如果把浅盘倾斜一个角度，他们就可以在根沿底面向下生长时测量出它伸长的速度。当植株长到一定大小之后，他们把浅盘相邻放着，好让其中一个浅盘植物（不妨称之为“受试植株”）的根可以伸到另一棵植物（不妨称之为“目标植株”）所在的浅盘中。然后，在受试植株的根靠近目标植株的根时，他们继续测量前者的生长速率。作为对照，研究者还用涤纶线做了一个人造的“目标”根系，埋在沙土中。
他们的发现可以说令人惊异。这两种植物的根对涤纶线一点都不关心，继续以正常速率延伸，就这样越过了涤纶线。然而，如果一棵沙丘木豚草的根碰到了邻近的另一棵沙丘木豚草的根，它就停止生长；与此同时，在没有邻近的沙丘木豚草根系打搅的其他方向上，沙丘木豚草的根却仍然继续生长。马哈尔由此得出结论：沙丘木豚草能够保证它的根系不与属于同一物种的友好邻居相互竞争，这样就让两棵植株的根系合起来能占据土壤中的更多空间，也因此获取更多水分。有趣的是，如果同一棵植物自己的根彼此相遇，它们并不会停止伸长，这进一步表明沙丘木豚草可以区分自我和非我。
与此不同，膏香木的根对附近另一棵膏香木的根或沙丘木豚草的根采取了无所谓的态度，即使和这些异己的根相遇，也照例生长不误。因此，膏香木的根可以直接与沙丘木豚草竞争水分。然而，沙丘木豚草的根在遇到膏香木根时做出的反应却是停止生长。一旦沙丘木豚草的根伸到离膏香木的根几厘米的地方，它就不再伸长。这样一来，膏香木不仅可以攫取沙丘木豚草的水源，而且它的根还能阻止沙丘木豚草侵犯它的地盘。显然，膏香木在实施化学战，释放了某类可溶于水的化学信号；沙丘木豚草的根尝到这种化学物质之后便会竭力避开它。
然而，也不是所有植物对陌生邻居的存在都采取害羞躲避的反应方式。野牛草（）也能区分自我和非我。野牛草植株的根在遇到同一个体的其他根时，会长得又少又短，但在遇到其他野牛草植株的根时却会迅速生长，可能是在试图竞争资源。然而，用拟人化的话来说，真正令人惊异的是野牛草竟然可以“忘记”自己是谁！从同一棵植株上通过无性繁殖长出的新植株一旦相互分离，随着时间推移，彼此就会逐渐陌生，最终便把对方视为遗传上相异的植株。换句话说，这些植株的根在分离两个月之后，虽然最初都是源于同一棵植株，却再也识别不出彼此的同胞兄弟之情，一心只想怎么压过对方！
植物喜欢吃的肥料如果考虑到植物味觉对植物生理的重要性，那么我们便无须惊异于植物营养对蒲公英、你在家里种的花或意大利栽培的用来制作通心粉的硬质小麦具有同等的重要性。生长在养分贫瘠的土壤中的植物会发黄，难以茁壮成长。我们在家会用肥料为植物补充营养，现代农业生产中也是如此，这些肥料含有大量的矿物质。我们很多人每天都会服用复合维生素，因为膳食中的食物有时不能满足身体健康需求；同样，栽培植物也需要额外的肥料，因为土壤和水所含的营养有时不能满足植物健康需求。
我们对植物营养和植物味觉的理解与现代农业密切相关。在19世纪初，全球人口只有大约10亿，那时候差不多三个人里面就有一个人受着饥饿的折磨。而在我出生之后，我眼看着全球人口从30亿猛增到了70多亿。尽管还有大约7亿人每晚只能饿着肚子上床睡觉，但就比例来说，今日世界遭受饥饿之苦的人口要比人类历史上任何时候都少。换句话说，尽管今天在地球上生活的人口比历史上任何时刻都多，我们却能设法填饱世界上大部分人的肚子。再考虑到地球上的人口越多，可利用的农业用地就越少，这就更显得不同寻常。甚至在今天，虽然地球表面有28%的土地适于耕种，我们每年仍然会因城市化和其他活动损失10万平方千米左右的耕地。然而，现代农业却通过提升产量减少了饥饿。
农业上有三次革命改变了人类历史。第一次农业革命发生于大约1万年前，我们的祖先开始在世界多个地方栽培农作物。植物在被驯化的过程中引入了新的遗传特征。比如说小麦，其野生类型今天仍然像杂草一样生长在以色列、叙利亚、土耳其和新月沃地［6］的其他国家，它们的籽粒在成熟时会散落在地上，收获起来非常困难。然而，驯化小麦让其籽粒在成熟时仍然留在茎秆上，收获起来就比较容易了。导致这一特征变化的是一个叫“”的基因中的一个突变，栽培小麦品系由此得以开发，在农业上一直种植至今。小麦在中东的驯化、玉米在美洲的驯化、水稻在远东的驯化［7］，以及其他谷物、豆类、果树和蔬菜
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