要几代人才能完成的科学实验——伊利诺伊的玉米遗传实验

伊利诺伊的玉米遗传实验，从1896年开始，今天仍然在持续。

1896年，农学家、化学家Cyril G. Hopkins在伊利诺伊农业实验站收获了163颗同种的玉米，这163颗玉米被分为4组：

1，24根蛋白质含量最高的玉米

2，12根蛋白质含量最低的玉米

3，24根含油量最高的玉米

4，12根含油量最低的玉米。

这4组玉米被分开种植，防止相互传粉，一根玉米在一块地里种一行，最高的一组种在中间。

第一年后，四组玉米都收获了，Hopkins将结果发表在1899年的《Improvement in the chemical composition of the corn kernel》中

高蛋白玉米的种植结果

低蛋白玉米的种植结果

可以看到高蛋白玉米（含量12.54%）种植出了蛋白含量11.1%的玉米，低蛋白玉米（含量9.03%）种出了蛋白含量10.55%的玉米，两者相差0.55%。

当然，实验才刚刚开始，接下来的每一年，都将重复第一年的做法，从高蛋白/油的产出里面取24颗最高的，从低蛋白/油的产出里面取12颗最低的，继续种。

1900年后，伊利诺伊玉米实验的负责人换成了L. H. Smith，他们在1908年发表了实验的第二篇论文《Ten generations of corn breeding》，并公布了结果：

高蛋白和低蛋白玉米的含量和差异

十年过去，高蛋白和低蛋白的差异已经达到了5.62%，高蛋白组的含量上升到14%以上，低蛋白组含量已经低于9%。

1921年后，负责人又换成C. M. Woodworth，他们在1929年发表了论文《The mean and variability as affected by continuous selection for composition in corn》，公布了蛋白含量和含油量的差异：

三十代玉米试验的蛋白含量和含油量差异，上图为蛋白，下图为油

蛋白和油的含量差异已经超过8%。

如果说，伊利诺伊玉米实验一开始试验的目的只是想要看不断分开选种是否会造成子代的差异越来越大，那么这个目的已经实现了。现在的实验已经有了下一个目的——完全通过选种的方式，使得蛋白质含量和含油量上升，这个上升会有上限吗？从前30代来看，两者的上升似乎都是线性的，并没有上限存在。

1951年，伊利诺伊玉米实验的负责人又换成了E.R. Leng，他们在1952年发表了论文《Fifty generations of selection for oil and protein in corn》，讲述了50代之后的情况：

五十代玉米试验的蛋白含量和含油量差异，上图为油，下图为蛋白

看起来，含油量和蛋白质含量的线性上升并没有停止，且蛋白质含量的下降也是几乎线性的。含油量的下降则趋缓——毕竟含油量不能低于0。

到了这里，伊利诺伊实验想出了一个新的方案：如果我们这个时候从高蛋白/含油组里开始选择那些蛋白/含油最低的玉米，同时从低蛋白/含油组里开始选择那些蛋白/含油最高的玉米，反向选育，然后不断重复，结果会怎么样呢？

这个实验从1947年开始，1960年时达到了13代，1962年发表的论文《Results of long-term selection for chemical composition in maize and their significance in evaluating breeding systems》公布了该结果：

高/低蛋白组（实线），反向高/低蛋白（虚线）的蛋白质含量

高/低含油组（实线），反向高/低含油（虚线）的含油量

反向选育组的走向很有意思。虽然在之前已经经过了近50代的选育，无论是含油量还是蛋白质含量都达到了很高的程度，但从这些组别经过了仅仅13代的反向选育之后，之前的积累的优势就已经消失近半。比如在蛋白质组，反向高蛋白组和反向低蛋白组之间的差别和20代时已经差不多。

1966年后，J. W. Dudley接替了伊利诺伊玉米遗传实验，他们又在反向高油组里面进行了分叉，进行了一个「回旋」（Switchback），意思是在那些选了47代高油有选了7代低油的玉米里面再选16代高油玉米……这个玉米真的给折腾得够呛呢。

小组在1974年的《Seventy Generations of Selection for Oil and Protein Concentration in the Maize Kernel》发表了下列结果：

高/低含油（实线），反向高/低含油（星号线）以及反向回旋高油组（圆点线）的含油量

高/低蛋白（实线），反向高/低蛋白（星号线）的蛋白质含量

从这里我们又能看到，在含油量这一块，「回旋组」重新上升的速度还是挺快的；而在蛋白质含量上，反向高蛋白组的下降速度令人印象深刻，仅仅20代后，之前47代的优势就全部消失了。

用两句话来重复这两个现象，对含油量来说，是「浪子回头金不换」，对蛋白质来说，是「从善如登，从恶如崩」。

​2004年，Stephen P. Moose已经成为伊利诺伊玉米实验新的负责人，他们发表了论文《Maize selection passes the century mark: a unique resource for 21st century genomics》，总结了一个世纪以来的这一场玉米试验。

左图为蛋白质，右图为含油量

从这两张图看，蛋白质的「从善如登，从恶如崩」还是在持续，从左图看，50代后反向高蛋白组和经过了100年选育的低蛋白组已经几乎没有差别，把之前50代的优势完全抵消了；而50代后的反向低蛋白组到高蛋白组之间还是有很大的差距。

含油量的「浪子回头金不换」也颇为有趣，「回旋」组已经基本赶上了高油组，弥补了7代的差异。而反向高油组和反向低油组也才刚刚碰面。看起来，对含油量来说，用选种带来上升和下降的速度是差不多的。

当然，我们不能不注意到两张图和百年前差不多的一个趋势——无论是蛋白质含量还是含油量，他们的上升仍然是几乎线性的，还没有看到显著的停止，在含油量的上升上尤其如此。这可能意味着玉米的含油量和蛋白质含量，尤其是前者，还远未被接近。

在最近几十年，随着分子生物学的兴起，玉米遗传实验已经没有那么受欢迎了。同时我们也有更多更合适的物种来做实验，比如其他的答案里有提到的大肠杆菌实验，进行了三十多年，已经有6万代了，出现了很多奇妙的特性。伊利诺伊玉米实验也开始更多地关注基因上的差异，比如实验的最近一篇论文发表在2019年7月——没错，就是上个月——他们研究了高蛋白组和低蛋白组由于RNA的不同而在「持绿性」上产生的差异并进而由于光合作用带来的产量差异。

总之，伊利诺伊玉米遗传实验仍然在继续。100年前，Cyril G. Hopkins大概完全不会想到他的实验还能有那么多玩法，期待在未来的100年，他们还能从中发现更多有趣的东西。

虽然是很简单的选种实验，但想来却十分神奇。差不多的一批玉米，分开来种，按标准选育，一个世纪以来更换了数位实验室负责人，观察了短短的一百年。

就是这一百年，已经让一批相似玉米的子女们出现了天壤之别。含油量高的，超过20%，含油量低的，已经无法检出。

高蛋白和低蛋白组在外观上的差异

如上图所示，高蛋白组颗颗呈现圆形，而低蛋白组的颗粒则呈现长条形，在外观上也已经出现了差异。一百代，似乎已经造成了极大的差异。

但是，在历史的长河中，一百代又何足挂齿？

根据2014年发表在Nature Genetics上的论文《Inferring human population size and separation history from multiple genome sequences》，用分子钟计算基因变化速率，中国人和日本人的共祖出现在8000年前，按照20年一代的算法，已经过了400代，相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了4次；中国人和墨西哥人的共祖出现在2万年前，相当于1000代，也就是伊利诺伊玉米实验的代数重复了10次。

再把目光放远一点，人类和黑猩猩的共祖出现在600万年前，就算20年一代，也有了30万代。

想象一下，600万年前的一只猿类，她育有两个子女，其中一个是当前所有人类的祖先，而另一个是当前所有黑猩猩和倭黑猩猩的祖先，而这相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了3000次。

从这个角度看，人类的进化不也正是大自然的一场大型实验吗？会不会有「反向」、「回旋」等控制因素被人类自己施加在身上呢？光是想一想，就觉得是一件非常带（kě）感（pà）的事情呢。