Команда, включающая биологов-эволюционистов из Университета Торонто (U of T), определила пути, по которым устойчивые к гербицидам штаммы инвазивного сорняка под названием обыкновенная водяная конопля появились на полях сои и кукурузы в юго-западном Онтарио.
Они обнаружили, что устойчивость, впервые обнаруженная в Онтарио в 2010 году, распространяется благодаря двум механизмам: во-первых, пыльца и семена устойчивых растений физически разносятся ветром, водой и другими способами; во-вторых, резистентность возникла в результате спонтанного появления мутаций резистентности, которые затем распространились.
Исследователи обнаружили доказательства обоих механизмов, сравнив геномы устойчивых к гербицидам растений водяной конопли с ферм Среднего Запада США с геномами растений из Южного Онтарио.
«Мы использовали современные методы анализа генома, чтобы изучить генетическое сходство различных популяций этих растений», - объясняет Юлия Крайнер, кандидат наук на кафедре экологии и эволюционной биологии (EEB) факультета U of T. Искусств и науки и ведущий автор исследования, опубликованного сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences.
К нашему удивлению, мы обнаружили, что геномы некоторых устойчивых растений в Онтарио были почти идентичны геномам очень отдаленных растений США. Это свидетельствовало о том, что растения Онтарио были очень тесно связаны с растениями США, и предполагает, что первые произошли от семян, которые были только что сорваны с одного поля и брошены на другое».
Хотя Крайнер и ее сотрудники не определили, как именно физически транспортировались семена, это размножение, известное как поток генов, обычно осуществляется по-разному. Семена могут переноситься водой, или в пищеварительном тракте животных, или с поля на поле с помощью сельскохозяйственной техники. И особенно с ветроопыляемым растением, таким как обыкновенная водяная конопля, гены также могут распространяться через переносимую ветром пыльцу.
Тот же анализ ДНК выявил некоторые устойчивые растения, которые генетически не соответствовали другим растениям, предполагая, что они появились в результате независимого появления генетической мутации, передающей устойчивость.
Исследователи были удивлены, обнаружив оба механизма в действии.
«У нас есть два региона, остров Уолпол и графство Эссекс на юго-западе Онтарио, где популяции водяной конопли выработали устойчивость», - говорит Стивен Райт, профессор экологии и эволюционной биологии Университета штата Техас и соавтор исследования..
"Из-за их близости мы ожидали, что у них будет один и тот же источник устойчивости. Но наши результаты предполагают разное происхождение - от перемещения семян из исходной популяции в США. S., а также независимая эволюция резистентности в местной популяции."
По словам Джона Стинчкомба, также профессора экологии и эволюционной биологии в Университете штата Техас и соавтора, «Одним из самых поразительных открытий является то, что мы видим оба способа, которыми сорняки могут стать устойчивыми, происходящими на очень коротких масштабы времени. Эволюция происходит очень быстро и с использованием множества механизмов».
Детлеф Вайгель, соавтор из Института Макса Планка в Германии, добавил: «Поскольку устойчивая к гербицидам водяная конопля появилась в США задолго до того, как такие растения были обнаружены в Канаде, мы были убеждены, что эволюция устойчивости к гербицидам очень редко и произошло только один раз. Теперь, когда мы знаем, что это может происходить неоднократно, следующий вопрос заключается в том, можно ли замедлить эволюцию новых генетических вариантов, которые делают водяную коноплю устойчивой к гербицидам».
В дополнение к когорте U of T, соавторами были ученые-сорняки из Университета Иллинойса и Кампуса Университета Гвельфа в Риджтауне; и специалисты по генетике и генетике развития в Институте биологии развития им. Макса Планка в Германии.
Исследователи изучили штаммы водяной конопли обыкновенной, также известной как Amaranthus tuberculatus, которые устойчивы к глифосату, одному из наиболее широко используемых гербицидов в мире, широко известному под торговым названием Roundup.
«Водяная пенька - один из самых проблемных сельскохозяйственных сорняков в Северной Америке», - объясняет Крайнер. «В США водяная конопля обыкновенная и близкородственный Amaranthus palmeri вызывают всевозможные разрушения с точки зрения продуктивности и урожайности сельскохозяйственных культур».
"Водяная конопля впервые появилась в одном округе Онтарио в начале 2000-х. А в этом году мы обнаружили их в семи разных округах провинции. Так что она распространяется."
Крайнер предполагает, что результаты подчеркивают важность строгого соблюдения сельскохозяйственных методов, направленных на минимизацию потока генов и стойких устойчивых штаммов по мере их возникновения.
«Тот факт, что мы наблюдаем распространение, включающее все эти механизмы, показывает, что решение проблемы является реальной проблемой и что для ее решения потребуется интегрировать подходы к управлению в разных масштабах», - объясняет Крайнер..
Например, это иллюстрирует важность тщательной очистки сельскохозяйственных остатков от арендованного сельскохозяйственного оборудования, которое используется на нескольких фермах в течение сезона, чтобы свести к минимуму транспортировку семян с поля на поле.
«Это также показывает важность таких методов, как смена гербицидов от сезона к сезону», - говорит Крайнер. «И чередование культур между кукурузой, соей и пшеницей. Подобные методы сведут к минимуму появление резистентности и ограничат перемещение семян».
В то же время Крайнер предупреждает, что возникновение устойчивости к гербицидам является неизбежным эволюционным процессом и что эта проблема требует дальнейшего изучения.
«Методы управления до сих пор не лечат основную причину, которая заключается в том, что устойчивость к гербицидам постоянно развивается», - говорит она. «Итак, с этими новыми геномными ресурсами и подходами я сейчас пытаюсь понять, что делает сорняк сорняком. Каковы факторы, которые могут сделать эти сорняки более склонными к развитию устойчивости и быть более проблематичными, чем другие?
На данный момент у нас заканчиваются гербициды. Эти растения выработали устойчивость почти ко всем гербицидам, которые мы придумали. И не похоже, что когда-либо появится гербицид, который сорняк не может в конечном итоге развить устойчивость к.
«Могут быть и другие стратегии борьбы с этими сорняками - например, технологии борьбы с сорняками, основанные на робототехнике и машинном обучении», - предполагает она. «Но даже в этом случае у сорняков есть способ развиваться вокруг этого, так что это действительно сложная задача».