杂草严重威胁粮食生产，每年会导致全球大约10%的农作物产量下降。解析杂草起源的遗传学基础和演化路径对于杂草的科学治理至关重要。抗干扰型杂草（ruderal weeds）生命周期短、种子数量多，这些特征有助于其适应农田、苗圃等低胁迫、高干扰生活环境。由于杂草多为非模式植物，相关研究仍处于起步阶段。最近10年，基因组测序技术的快速发展使得杂草快速进化、适应环境的机制的研究成为了可能。

　　2023年7月4日，国际学术期刊Plant Physiology在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为“Simulating evolution trajectory of ruderal weeds by computational modeling”的研究论文。该研究以十字花科短命杂草碎米荠（Cardamine occulta）为模式，利用计算机模拟描绘了碎米荠个体通过蓝光受体CRY2的显性突变，在农田、苗圃等低胁迫、高干扰的生活环境中快速获得优势的演化轨迹。

　　实验室前期通过群体遗传学研究发现，在两种十字花科短命杂草碎米荠（Cardamine occulta）和蔊菜（Rorippa palustris）中，开花基因FLOWERING LOCUS C（FLC）和蓝光受体基因CRYPTOCHROME2（CRY2）的相继突变是它们朝向短生命周期方向演化过程中的关键步骤（Li et al., Nat Commun, 2023）。然而，在庞大的种群中，CRY2的突变是否真的可以使得一些个体通过短命特性获得竞争优势，从而适应人类高干扰环境依然并不清楚。

　　为了回答这一问题，实验室首先建立了碎米荠个体全生育期模型（whole life-cycle model）。通过对温室和田间种植植物的表型进行细致考察，确定了该模型中所有的参数，包括种子萌发率和休眠强度、营养生长与生殖生长时间，后代种子数量等。进一步通过个体模型的迭代建立了种群尺度模型（population level model）。两年田间实验验证，该模型可以有效预测在无人类干扰和有人类干扰两种情况下碎米荠种群的结构变化，由此可用来预测并研究随机人为干扰情况下碎米荠种群的长期变化规律。

　　通过长度为20年的模拟实验，实验室取得了以下3个发现：1）人类干扰的确可以塑造碎米荠种群结构，且干扰频率越高，对种群结构的影响越大；2）拥有CRY2显性突变的碎米荠个体能够通过早花，将种子落入到土壤种子库中来克服人类干扰；3）尽管CRY2显性突变在种群中非常罕见，但是其依然可以在长时间尺度上对种群结构产生深远影响。本研究首次利用田间实验和计算机模拟对植物的演化规律进行了深入探讨，为未来农田杂草研究提供了一个新的范例。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心李凌子博士为该论文的第一作者，王佳伟研究员为通讯作者。朱新广研究员，常天根博士也参与了相关工作。该研究得到了国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院先导项目以及腾讯科学探索奖的资助。

　　论文链接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiad392/7219175?searchresult=1

图1. 碎米荠群体演变计算机模型建立。

（A和B）自然条件下早花碎米荠（A，含有CRY2显性突变）和晚花碎米荠（B，CRY2为野生型）。（C）碎米荠全生育期模型和种群尺度模型。

图2. 计算机模型结果。

（A和B）在无干扰（A）和干扰（B）情况下种群结构变化图。其中每个蓝色点为计算机预测数据，红色点为田间实验实际获得结果。图（B）中的插图为田间干扰前（before）和干扰后（after）的照片。纵坐标为早花型植物（即含有CRY2显性突变）/野生型植物的比例。

（C）计算机模拟在无干扰条件，20年尺度下，种群结构的变化规律。可以看到在无干扰条件下，野生型植物将逐渐占据种群的优势（即早花型植物/野生型植物比例逐渐降低，并趋近0）。

（D-F）计算机模拟在有干扰条件，20年尺度下，种群结构的变化规律。从图（D）中可以看到随着人类干扰频率的升高，早花型植物逐渐占据优势。图（D-F）中的模式实验分别设定了CRY2在种群中的不同突变频率（1:1；1:1000；1:1000000）。结果显示，无论起始频率多低，拥有CRY2显性突变的个体仍然能够在长时间尺度上对种群结构产生深远影响。