Работая над тем, чтобы понять генетику устойчивости арахиса к болезням и урожайности, исследователи под руководством ученых из Университета Джорджии обнаружили маловероятную и сложную эволюцию арахиса.
Исследователи, работающие в рамках Международной инициативы по изучению генома арахиса, ранее точно определили одного из двух диких предков арахиса и показали, что арахис является живым наследием некоторых из первых сельскохозяйственных обществ человека в Южной Америке. С тех пор команда нанесла на карту весь геном арахиса и определила второго дикого предка этой культуры, а также новый механизм, с помощью которого застенчивое, накапливающее семена растение породило то разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня.
Из-за его сложной генетической структуры секвенирование арахиса было возможно только с использованием самых последних разработок в области технологии секвенирования. Результат беспрецедентного качества и обеспечивает основу для селекции и улучшения урожая арахиса, а набор выводов об экстраординарной генетической структуре арахиса», - сказал Дэвид Бертиоли, выдающийся исследователь исследовательского альянса Джорджии и исследователь арахиса в Колледже сельскохозяйственных и экологических наук.
Бертиоли проводит свои исследования в Институте селекции растений, генетики и геномики CAES, в котором работают одни из ведущих мировых экспертов в этой области растениеводства, и который активно предоставляет новые геномные инструменты и информацию, помогающие селекционеры во всем мире выводят более устойчивые и продуктивные сорта сельскохозяйственных культур.
Последняя статья команды была опубликована в журнале Nature Genetics и доступна в Интернете.
По данным Министерства сельского хозяйства США, фермеры во всем мире выращивают 44,9 миллиона метрических тонн арахиса на площади более 64 миллионов акров. Урожай является основным продуктом питания во многих частях Африки и Азии, а также является источником арахисового масла, закусок и растительного масла в Соединенных Штатах. Только в Грузии фермеры ежегодно выращивают арахис на 825 миллионов долларов.
Несмотря на их важность как сельскохозяйственной культуры, у исследователей растений не было многих генетических инструментов, необходимых для ускорения внедрения более устойчивых и продуктивных сортов арахиса. Это произошло потому, что до недавнего времени ученые не могли составить карту гиперсложного тетраплоидного генома арахиса. Международное сотрудничество в рамках инициативы Peanut Genome Initiative и достижения в области технологий и обработки данных привели к прорыву.
Секвенирован геном арахиса
Основой открытий команды стало секвенирование генома. Поскольку арахис возник в результате гибридизации двух видов диких предков тысячи лет назад, на начальных этапах проекта исследователи занимались разработкой последовательностей геномов этих предков. Вместе предковые геномы создали прототип генетической структуры культивируемого арахиса. Это было опубликовано в 2016 году.
В этом месяце Peanut Genome Initiative обсуждает полную последовательность генома современного культивируемого арахиса в статье, опубликованной в журнале Nature Genetics 1 мая.
Исследователи использовали новые достижения в технологиях секвенирования ДНК, чтобы получить полную последовательность генома беспрецедентного качества. Последовательность состоит из более чем 2,5 миллиардов пар оснований ДНК, расположенных в 20 парах хромосом, по 10 пар от каждого предкового вида.
Информация в последовательности проливает свет на части генетического кода растения, которые контролируют такие признаки, как размер семян и устойчивость к болезням, которые важны для селекционеров. Но последовательность также рассказала больше о происхождении арахиса на заре сельского хозяйства в Южной Америке и о генетических механизмах, которые породили разнообразие и позволили адаптироваться к окружающей среде по всему миру.
Мать арахиса
Используя новую последовательность генома в качестве основы, команда смогла проанализировать вариации более чем 200 самых разнообразных видов арахиса со всего мира. Исследователи обнаружили характерные генетические отпечатки пальцев, общие для всех протестированных растений арахиса, что дает новые доказательства того, что все современные сорта арахиса происходят от одного и того же исходного гибрида.
«Новое исследование подчеркивает, что происхождение арахиса было связано с особыми обстоятельствами тысячи лет назад. Древние земледельцы перенесли один вид в ареал другого, что позволило их гибридизировать и сформировать новый вид сельскохозяйственных культур», - сказал Сорайя. Леаль-Бертиоли, старший научный сотрудник Института селекции, генетики и геномики растений UGA и отдела патологии растений CAES.
Ученые с инициативой ранее нашли мужского донора оригинального гибрида и происхождения субгенома «B» арахиса. В этом новом исследовании они идентифицировали женщину-донора, отслеживая популяцию дикого предка арахиса, который внес субгеном арахиса «А» в Рио-Секо, Аргентина. Эти особи образуют «материнскую» популяцию арахиса.
Но доказательства того, что все современные виды арахиса можно проследить до одного оригинального гибрида, создают еще одну загадку, сказал Леаль-Бертиоли. Как растение с такой узкой генетической базой дает столько вариаций и сортов?
Перетасовка, перетасовка
Большинство видов цветковых растений полагаются на животных или погоду для распространения своей пыльцы или семян на другие растения для создания генетического разнообразия. Пыльца и семена могут путешествовать на многие мили, распространяя новые признаки среди новых популяций.
Но арахис, который производит семена под землей, этого не делает. Первобытным земледельцам и их транспортировке семян на большие расстояния понадобились первые два предка-родителя арахиса.
С тех пор, однако, растение использовало новый механизм для создания разнообразия.
Арахис имеет два набора хромосом, по одному от каждого предка. При анализе более 200 культивируемых сортов арахиса со всего мира было показано, что разные местные сорта и сорта перетасовали генетический материал предков, а некоторые участки вообще удалили. За последние 10 000 лет такая перетасовка происходила тысячи раз, что позволяло создавать разнообразие быстрее, чем если бы растения просто полагались на мутации.
В теплице в кампусе UGA Бертиоли работали с гибридами, которые воссоздают оригинальный предковый арахис, и наблюдали за перетасовкой в режиме реального времени. Они зафиксировали его эффекты в спонтанном появлении разных цветов цветов. По словам Дэвида Бертиоли, эти же генетические механизмы порождают и другие типы вариаций.
Этот феномен объясняет огромное разнообразие арахиса, наблюдаемое сегодня в арахисе, сказал Леаль-Бертиоли.
Для этого исследования Международная инициатива по изучению генома арахиса объединила ученых из США, Аргентины, Китая, Индии, Японии и Франции. Первоначальное секвенирование было проведено в Институте Альфа Хадсона, Хантсвилл, Алабама, и в Исследовательском отделе геномики и биоинформатики Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Стоунвилле, штат Миссисипи. Проект финансировался Национальным советом по арахису, Американской ассоциацией производителей арахиса и другими производителями, производителями и смежными отраслями.