Масштабное международное исследование объяснило, как хлебная пшеница стала культовой культурой, которая сегодня обеспечивает питанием население планеты численностью восемь миллиардов человек.
«Наши результаты проливают новый свет на знаковое событие в нашей цивилизации, которое создало новый тип сельского хозяйства и позволило людям осесть и сформировать общества», - говорит профессор Бранде Вульф, исследователь пшеницы в KAUST (Университете науки и технологий имени короля Абдаллы) и один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале Nature.
Профессор Кристобаль Уауи, руководитель группы в Центре Джона Иннеса и один из авторов исследования, сказал: «Эта работа иллюстрирует важность глобального сотрудничества и обмена данными и семенами между странами: мы можем достичь многого, объединяя ресурсы и опыт разных институтов и преодолевая международные границы».
Согласно исследованию институтов, входящих в Открытый консорциум дикой пшеницы (OWWC), секрет успеха мягкой пшеницы кроется в генетическом разнообразии дикой травы под названием Aegilops tauschii.
Мягкая пшеница - это гибрид трех диких злаков, содержащий три генома (A, B и D) в одном очень сложном растении. Aegilops tauschii, в остальном неприметный сорняк, стал источником D-генома мягкой пшеницы, когда он скрестился с ранней разновидностью твердой пшеницы в так называемом «Плодородном полумесяце» где-то между восемью и одиннадцатью тысячами лет назад.
Случайная гибридизация на берегах южного Каспийского моря породила сельскохозяйственную революцию. Культивирование быстро распространилось по широкому новому диапазону климатов и почв, поскольку фермеры с энтузиазмом приняли эту динамичную новую культуру с высоким содержанием клейковины, которая создает более воздушное эластичное тесто для выпечки хлеба.
Это быстрое географическое продвижение озадачило исследователей пшеницы. Ведь дикой мягкой пшеницы не существует: и тот тип гибридизации, который добавил новый геном D к существующим геномам пшеницы A и B, создал генетическое бутылочное горлышко, в результате чего новый вид имел значительно сокращенное генетическое разнообразие по сравнению с окружающими его дикими злаками.
Этот эффект бутылочного горлышка в сочетании с тем фактом, что пшеница является видом инбридинга (то есть самоопыляющимся), предполагает, что хлебная пшеница может испытывать трудности за пределами своего происхождения в Плодородном полумесяце. Так как же она стала широко распространенной и широко принятой в регионе?
Для решения этой головоломки международное сотрудничество собрало панель из 493 уникальных образцов, охватывающих географический ареал Aegilops tauschii от северо-запада Турции до восточного Китая.
Из этой панели исследователи отобрали 46 образцов, отражающих видовые признаки и генетическое разнообразие, для создания пангенома - высококачественной генетической карты Aegilops tauschii.
Используя эту карту, они отсканировали 80 000 местных сортов мягкой пшеницы - адаптированных к местным условиям сортов, хранящихся в CIMMYT (Международный центр улучшения кукурузы и пшеницы) и собранных по всему миру.
Эти данные показали, что около 75% генома D мягкой пшеницы получено из линии (L2) Aegilops tauschii, которая происходит из южного Каспийского моря. Оставшиеся 25% его генетического состава получены из линий по всему его ареалу.
«Этот 25%-ный приток генетического материала из других линий tauschii способствовал успеху мягкой пшеницы и определил его. Без генетической жизнеспособности, которую приносит это разнообразие, мы, скорее всего, не ели бы хлеб в тех масштабах, в которых мы едим его сегодня. В противном случае, сегодняшняя хлебная пшеница была бы региональной культурой — важной для Ближнего Востока, но я сомневаюсь, что она стала бы доминирующей в мире без этой пластичности, которая позволила хлебной пшенице адаптироваться», - сказал профессор Саймон Краттингер, ведущий автор исследования.
Предыдущее исследование OWWC выявило существование отдельной линии Aegilops tauschii, географически ограниченной современной Грузией в Кавказском регионе – в 500 километрах от Плодородного полумесяца. Эта линия Aegilops tauschii (L3) имеет важное значение, поскольку она дала хлебной пшенице самый известный ген качества теста.
В этом исследовании ученые выдвинули гипотезу, что если бы это была историческая интрогрессия, сродни генетическому следу неандертальца в геноме человека, то в коллекциях CIMMYT они бы обнаружили местные виды, в которых ее доля была бы выше.
Анализ данных показал, что местные сорта пшеницы CIMMYT, собранные в регионе Грузии, содержали 7% интрогрессий L3 в геноме, что в семь раз больше, чем у местных сортов мягкой пшеницы, собранных в Плодородном полумесяце.
«Мы использовали образцы L3 tauschii в качестве подопытных кроликов для отслеживания и отслеживания гибридизации с использованием 80 000 местных сортов мягкой пшеницы», - сказал профессор Краттингер.
«Данные прекрасно подтверждают картину, согласно которой мягкая пшеница появляется в южном Каспии, затем в результате миграции и сельскохозяйственной экспансии она достигает Грузии, а здесь благодаря потоку генов и гибридизации со своеобразными, генетически отличными и географически ограниченными образцами L3 это приводит к притоку нового генетического материала. Это один из новых аспектов нашего исследования, и он подтверждает, что, используя наши новые ресурсы, мы можем проследить динамику этих интрогрессий в мягкой пшенице», - пояснил он.
В дополнение к решению этой вековой биологической тайны, новый открытый исходный код пангенома Aegilops tauschii и зародышевой плазмы, предоставленные OWWC, используются исследователями и селекционерами по всему миру для открытия новых генов устойчивости к болезням, которые защитят посевы пшеницы от сельскохозяйственных бедствий, таких как пшеничная ржавчина. Они также могут добывать из этого вида дикой травы гены устойчивости к климату, которые можно будет вывести в элитные сорта пшеницы.
Исследователи из Центра Джона Иннеса тесно сотрудничали с коллегами из KAUST, используя биоинформатические подходы для отслеживания уровней ДНК, внесенных в мягкую пшеницу линией L3 Aegilops tauschii. Это исследование подчеркивает важность сохранения генетических ресурсов, таких как финансируемое Подразделение ресурсов зародышевой плазмы в Центре Джона Иннеса, где хранятся исторические коллекции диких злаков, которые можно использовать для выведения ценных признаков, таких как устойчивость к болезням и вредителям, в современной пшенице, заключили ученые.
Статья опубликована в Nature.
Источник: John Innes Centre. На фото - Aegilops tauschii, автор фото Ана Перера.