Картофель – удивительная культура, которая не перестает занимать ученых. Польза клубней и устойчивость картофеля к различным погодным условиям также делают это растение опорой продовольственной безопасности. Вместе с тем продолжается работа по селекции картофеля в ответ на изменение климата, и для успеха крайне важно понимать, как в принципе возник картофель. Теперь доказано, что культурный картофель и его 107 диких сородичей произошли от древнего события гибридного видообразования примерно 8-9 млн лет назад, и само образование клубней, ключевой инновационный признак, имеет гибридное происхождение.
Культурный картофель (Solanum tuberosum L.) в настоящее время является третьей по значимости основной сельскохозяйственной культурой в мире и вместе с пшеницей, рисом и кукурузой отвечает за 80% потребления калорий человеком.
Но каким образом картофель получился таким, каким мы его знаем сейчас, с его полезными клубнями и устойчивостью к суровым условиям? Ответ на этот вопрос нашла команда китайских ученых под руководством исследователей из Китайской академии наук и в сотрудничестве с коллегами из Канады, Великобритании, США. Их работа была опубликована в журнале Cell Press.
Внутри рода Solanum культурный картофель и его близкородственные дикие виды составляют монофилетическую линию Petota, которая экологически и морфологически отличается от близкородственных линий Etuberosum и Tomato, первая из которых представляет собой небольшую монофилетическую линию из трех видов с юга Южной Америки, а вторая, столь же монофилетическая, состоит из 17 культурных и диких видов томата.
В отличие от томата, и Petota и Etuberosum являются видами геофитов (растениями с подземными органами повторного побега), которые обеспечивают вегетативное размножение с помощью подземных стеблей, называемых столонами у Petota и корневищами у Etuberosum.
Кроме того, у Petota есть специализированные органы клубней — вздутые части столонов, которые хранят воду и углеводы и служат важными питательными и репродуктивными органами.
Гибридное видообразование все чаще признается «эволюционным катализатором», способствующим появлению эволюционных инноваций и расширению экологических ниш.
Однако механистическое понимание того, как древнее гибридное видообразование способствует фенотипическим инновациям и адаптации видов в пределах богатых видами линий, только начинает появляться.
«Здесь наше исследование предоставляет геномные и функциональные доказательства того, что Petota имеет гибридное происхождение, что приводит к инновационной черте образования клубней и последующей колонизации широкой экологической ниши с дальнейшей обширной диверсификацией видов», пишут авторы исследования.
Источник: Cell Press. DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.034
Филогенетический анализ показывает, что ближайшими родственниками Petota являются Etuberosum и Tomato со значительными расхождениями среди генных деревьев или геномных окон. Все члены Petota демонстрируют стабильное смешанное геномное происхождение, происходящее от Etuberosum и Tomato.
«Мы подсчитали, что Tomato и Etuberosum разошлись примерно 13–14 млн лет назад, и что гибридизация между ними привела к происхождению Petota около примерно 8–9 млн лет назад, что совпало с быстрым подъёмом Анд (6–10 млн лет назад). Следовательно, это древнее событие гомоплоидного гибридного видообразования между предками Tomato и Etuberosum, давшее начало предку Petota, могло произойти под воздействием геологических колебаний и появления отдельных ниш, что привело к появлению аллельных комбинаций/рекомбинаций и инновационных фенотипов для дальнейшего естественного отбора. Это согласуется с мозаичными генетическими паттернами по всему геному всех изученных видов Petota», - пишут авторы исследования.
В статье подчеркнуто главное – ученые получили доказательства того, что альтернативное наследование сильно дивергентных аллелей определенных ключевых генов от Tomato и Etuberosum, соответственно, могло создать инновационную сеть взаимодействия, которая способствовала образованию клубней во время древнего гибридного видообразования.
Это критическое нововведение, которое благоприятствует вегетативному размножению, вероятно, способствовало первоначальному выживанию гибридного потомства с низкой фертильностью из-за постзиготических RI между дивергентными предками Tomato и Etuberosum.
Это также способствовало их закреплению в различных местах обитания, таких как более высокие точки с более холодным климатом в Андах. Эти различные ниши могли дополнительно усилить презиготические RI гибридного потомства за счет снижения возвратного скрещивания с любым из родителей, что позволило им сформировать независимо эволюционировавший Petota путем восстановления фертильности в ходе последующей эволюции.
Кроме того, появление более эффективного бесполого размножения посредством образования клубней, а также сортировка и рекомбинация полиморфизмов, полученных в результате гибридизации, могли спровоцировать последующую быструю диверсификацию видов рода Petota, который в настоящее время включает 107 диких видов, произрастающих в широком диапазоне условий.
В более общем плане, результаты свидетельствуют о том, что гибридное видообразование может включать как наследование альтернативных родительских генов, так и развитие ключевых инноваций признаков посредством комбинирования и рекомбинации аллелей. В случае Petota этот процесс в конечном итоге привёл к способности образовывать клубни и, следовательно, к появлению культурного картофеля, одного из важнейших продуктов питания человечества.
Прослеживания путь происхождение ключевых генов клубнеобразования в современном картофеле, ученые установили следующее. Ген SP6A, который работает как главный переключатель – сигнализатор, что пора формировать клубники, достался картофелю от томата. Другой важнейший ген, IT1, контролирующий рост подземных стеблей, формирующих клубни, культурный картофель получил от Etuberosum. Без любого из двух данных генов гибридное потомство не смогло бы формировать клубни.
В совокупности инновационный орган клубня, а также сортировка и рекомбинация полиморфизмов, полученных в результате гибридизации, способствовали первоначальному выживанию гибридного потомства, в том числе с низкой плодовитостью, и спровоцировали взрывную диверсификацию видов Petota, способствуя занятию более широких экологических ниш, а также их закреплению в различных местах обитания, например, на возвышенностях с более холодным климатом в Андах.
«Следует отметить, что род Petota включает 107 диких видов, все из которых характеризуются наличием клубней, и демонстрирует самую быструю видовую радиацию в Solanum Grade I с расчетной скоростью на линию около 0,53 линии на миллион лет. Эта скорость выше, чем у Etuberosum (0,39 линии на миллион лет), Tomato (0,44 линии на миллион лет) и среднемирового показателя для Solanum (0,38 линии на миллион лет)», пишут авторы работы.
Видовая радиация означает быстрое и обширное увеличение разнообразия видов или морфологических признаков, вызванное освоением новой экониши и/или адаптацией.
Гибридные линии часто также занимают более широкие ниши. Предыдущее исследование показало, что геофиты Solanum занимают отдельные экологические ниши по сравнению с видами, не являющимися геофитами, под влиянием восьми биоклиматических экологических переменных.
«Мы извлекли эти восемь переменных для 4703 записей о встречаемости трех видов в Etubesurom, всех 16 диких видов в Tomato и 107 некультивируемых видов в Petota. Наибольшее разнообразие диких видов Petota встречается в высокогорных, адаптированных к холоду горных местообитаниях в центральной Мексике и центральных Андах. Виды Petota имеют гораздо более широкое географическое распространение и, как правило, занимают более широкий диапазон условий окружающей среды, чем виды Tomato или Etuberosum», отмечают авторы исследования.
Вместе с клубнями картофель обрел такие преимущества, как накопление огромного количества питательных веществ в своих подземных копилках (поэтому клубни картофеля так полезны и вкусны) и возможность размножаться самостоятельно, не полагаясь на опылителей и семена. Гибридная сила сделала современный картофель супервыносливым растением, а понимание ее механизмов позволяет дополнительно усилить устойчивость картофеля выведением новых сортов.
Источник: Cell Press. DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.034
На графике вы видите эволюционный сценарий гибридного происхождения картофеля. Источник: DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.034