Генетические детективы обнаружили малоизвестного предка современной мягкой пшеницы, и это открытие похоже на обнаружение известного давно потерянного родственника с помощью анализа ДНК у людей.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Biotechnology, ученые секвенировали ДНК 242 уникальных экземпляров Aegilops tauschii, собранных в течение десятилетий со всего его естественного ареала - от Турции до Центральной Азии.
Анализ генома популяции под руководством доктора Кумара Гаурава из Центра Джона Иннеса выявил существование отдельной линии Aegilops tauschii, ограниченной территорией современной Грузии, в регионе Кавказа - примерно в 500 километрах от Плодородного полумесяца, где пшеница впервые появилась возделываемых земель - территория, простирающаяся на территории современного Ирака, Сирии, Ливана, Палестины, Израиля, Иордании и Египта.
Первый автор исследования в журнале Nature Biotechnology доктор Кумар Гаурав сказал: «Открытие этого ранее неизвестного вклада в геном мягкой пшеницы сродни открытию интрогрессии ДНК неандертальца в геном человека из Африки».
"Скорее всего, это произошло в результате гибридизации за пределами Плодородного полумесяца. Эта группа грузинских образцов образует отдельную линию, которая внесла свой вклад в геном пшеницы, оставив след в ДНК."
Открытие было сделано благодаря крупному международному сотрудничеству по улучшению сельскохозяйственных культур путем изучения полезного генетического разнообразия Aegilops tauschii, дикого родственника мягкой пшеницы. Открытый консорциум дикой пшеницы объединил 38 исследовательских групп и исследователей из 17 стран.
Дальнейшее исследование, проведенное группой доктора Джесси Поланда из Канзасского государственного университета, было опубликовано в сопутствующей статье в журнале Communications Biology и показывает, что ДНК предков Aegilops tauschii, обнаруженная в современной мягкой пшенице, включает ген, который придает тесту превосходную прочность и эластичность.
Доктор. Поланд сказал: «Мы были поражены, обнаружив, что эта линия предоставила самый известный ген для превосходного качества теста».
Исследователи предполагают, что недавно обнаруженная линия, возможно, была более широко распространена географически в прошлом, и что она, возможно, отделилась как рефугиум во время последнего ледникового периода.
Размышляя обо всем, что сошлось воедино, чтобы сделать эту работу возможной, доктор Бранде Вульф, корреспондент исследования, заметил: «Пятьдесят или шестьдесят лет назад, когда мы едва понимали ДНК, мои научные предки пересекали в горах Загрос на Ближнем Востоке, в Сирии и Ираке. Они собирали семена, возможно, предчувствуя, что однажды их можно будет использовать для улучшения пшеницы. Теперь мы так близки к раскрытию этого потенциала, и для меня это необычайно захватывающе."
Расшифровка сложного генома пшеницы
Современная «гексаплоидная» пшеница представляет собой сложную генетическую комбинацию различных трав с огромным генетическим кодом, разделенным на субгеномы A, B и D. Гексаплоидная пшеница составляет 95% всей возделываемой пшеницы. Гексаплоид означает, что ДНК содержит шесть наборов хромосом - по три пары в каждом.
Благодаря сочетанию естественной гибридизации и культивирования человеком Aegilops tauschii предоставил D-геном современной пшенице. D-геном добавил свойства для приготовления теста и позволил хлебной пшенице процветать в разных климатических условиях и на разных почвах.
Происхождение современной гексаплоидной мягкой пшеницы долгое время было предметом пристального изучения с археологическими и генетическими данными, свидетельствующими о том, что первая пшеница была выращена 10 000 лет назад в Плодородном полумесяце.
Одомашнивание, повышая урожайность и агрономические показатели, произошло за счет ярко выраженного генетического узкого места, подрывающего генетическое разнообразие защитных признаков, присущих Aegilops tauschii, таких как устойчивость к болезням и жаростойкость.
Анализ, проведенный доктором Гауравом и исследовательской группой, показал, что только 25% генетического разнообразия, присутствующего в Aegilops tauschii, превратилось в гексаплоидную пшеницу. Чтобы изучить это разнообразие в диком генофонде, они использовали метод, называемый картированием ассоциаций, чтобы обнаружить новые гены-кандидаты для устойчивости к болезням и вредителям, урожайности и устойчивости к окружающей среде..
Доктор. Сану Арора, который ранее руководил исследованием по клонированию генов устойчивости к болезням у Aegilops tauschii, сказал: «Ранее мы были ограничены изучением очень небольшого подмножества генома на устойчивость к болезням, но в текущем исследовании мы получили данные и методы для провести непредвзятое исследование видового разнообразия."
Дальнейшие эксперименты продемонстрировали перенос генов-кандидатов для подмножества этих признаков в пшеницу с использованием генетической трансформации и обычного скрещивания, чему способствовала библиотека синтетических сортов пшеницы - специально выведенного материала, который включает геномы Aegilops tauschii.
Эта общедоступная библиотека синтетических сортов пшеницы охватывает 70 процентов разнообразия, присутствующего во всех трех известных линиях Aegilops tauschii, что позволяет исследователям быстро оценивать признаки на фоне гексаплоидных сортов пшеницы.
"Наше исследование обеспечивает комплексный подход к быстрому и систематическому изучению генофонда Aegilops tauschii для улучшения современной мягкой пшеницы." - говорит доктор Вульф.
Это исследование является частью глобального сотрудничества по улучшению сельскохозяйственных культур путем изучения полезного генетического разнообразия Aegilops tauschii, дикого родственника мягкой пшеницы. Открытый консорциум дикой пшеницы объединяет 38 исследовательских групп и исследователей из 17 стран.