Кукуруза была одомашнена из своего предка теосинте в Центральной Мексике около 9000 лет назад человеком, который селекционировал дикое растение, превращая его мелкие, твёрдые зёрна в крупные, вкусные початки, которые мы знаем сегодня. На протяжении веков особенности корней кукурузы, которая сейчас является самой распространённой культурой в США и второй по площади в мире, эволюционировали в ответ на меняющиеся условия окружающей среды и методы ведения сельского хозяйства.
Поскольку роль корней в одомашнивании сельскохозяйственных культур в ответ на меняющиеся обстоятельства остается неясной (и поскольку это может быть актуально в настоящее время, когда потепление климата оказывает негативное воздействие на кукурузу и другие сельскохозяйственные культуры), группа исследователей под руководством ботаников из Университета штата Пенсильвания провела исследование, чтобы понять, как эволюционировали признаки корней в процессе одомашнивания кукурузы.
Исследователи изучили ДНК древних растений кукурузы и проанализировали палеоботанические данные — окаменелости древних растений, а также пыльцу и химические маркеры, — которые проливают свет на историю растений и позволяют понять, как эволюционировали корни кукурузы. Они также проанализировали, как доисторические уровни углекислого газа в атмосфере и деятельность человека влияли на эти характеристики.
Учитывая все эти факторы, они смоделировали рост и развитие корней кукурузы с помощью OpenSimRoot Model – компьютерной программы, разработанной в Колледже сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания для моделирования реакции растений на почвенные условия. Недавно группа опубликовала результаты своих исследований в журнале New Phytologist.
Исследователи сообщили, что в ходе трансформации теосинте в кукурузу произошло три основных изменения корней: меньше узловых корней — неглубокие корни, растущие из основания стебля; развитие многорядной кортикальной склеренхимы — толстостенных клеток в корне, которые помогают корням проникать в более глубокие слои почвы, что ранее было обнаружено исследователями из Университета штата Пенсильвания; и больше семенных корней — рано развивающиеся корни, которые помогают сеянцам получать доступ к питательным веществам.
«Мы реконструировали фенотипы корней кукурузы и теосинте, а также условия окружающей среды долины Теуакан — одного из древнейших регионов одомашнивания кукурузы — за последние 18 000 лет, используя сочетание древней ДНК, палеоботаники и функционально-структурного моделирования, чтобы реконструировать, как признаки корней эволюционировали с течением времени. Исследование показывает, что фенотипы корней, повышающие продуктивность растений в условиях азотного стресса, играют важную роль в адаптации кукурузы к изменяющимся агротехническим приемам», — рассказал руководитель группы Джонатан Линч, выдающийся профессор в области питания растений, старший автор исследования.
По словам первого автора исследования Ивана Лопеса-Вальдивии, получившего докторскую степень в области растениеводства в Университете штата Пенсильвания в 2024 году, исследование проследило следующую временную шкалу эволюции признаков корней:
12 000–8 000 лет назад: уровень углекислого газа повысился, что способствовало развитию более глубоких корневых систем. Это способствовало уменьшению количества узловых корней и появлению многорядной кортикальной склеренхимы, которая способствует более глубокому росту корней и доступу к воде и питательным веществам в более сухих почвах.6000 лет назад: было введено орошение, изменившее доступность азота — его стало меньше в верхних слоях почвы, больше в более глубоких. Это ещё больше ослабило узловые корни, а наличие многорядной корковой склеренхимы стало более полезным для доступа к подпочвенному азоту.около 3500 лет назад: появилось больше семенных корней. Семенные корни – это первичная корневая система, развивающаяся из семени при прорастании, играющая решающую роль в поддержке раннего роста проростка, поглощая воду и питательные вещества. Это совпало с интенсификацией сельского хозяйства, ростом населения и деградацией почв – условиями, которые сделали раннее развитие корней более важным для выживания.Хотя при проведении своего исследования исследователи заглянули далеко в прошлое, Линч предположил, что полученные результаты могут иметь значение в будущем, поскольку кукуруза является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире, а климат меняется, увеличивается уровень углекислого газа и меняются почвы.
«Мы изучили ДНК древних образцов кукурузы и использовали данные об окружающей среде из почвенных кернов, собранных археологами, собрали все это воедино и сказали: «Итак, когда кукуруза была изначально одомашнена, мы изменили окружающую среду. Количество углекислого газа в атмосфере менялось, и растению пришлось развить корневую систему другого типа. Это интересно не только с исторической точки зрения (именно так появилась современная кукуруза), но и даёт представление о том, что мы можем сделать с корнями кукурузы в будущем, чтобы они лучше адаптировались к меняющимся условиям», — пояснил он.
Источник: Pennsylvania State University. Автор: Джефф Малхоллем.
На рисунке показана эволюция типов корней от теосинте до современной кукурузы за последние 10 000 лет, смоделированная с помощью программы моделирования OpenSimRoot, разработанной учёными из Колледжа сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания. Источник: Университет штата Пенсильвания.