Века назад древние сети Шелкового пути способствовали политической и экономической открытости между народами Евразии. Но эта сеть также открыла пути для генетического обмена, который сформировал один из самых популярных фруктов в мире: яблоко. Когда путешественники путешествовали на восток и запад по Шелковому пути, торгуя своими товарами и идеями, они привозили с собой семена яблок, выброшенные из отборных плодов, которые они сорвали с диких деревьев. Эта ранняя селекция в конечном итоге привела к 7 500 сортам яблок, которые существуют сегодня.
Исследователи из Института Бойса Томпсона (BTI) усердно работали над раскопками тайн эволюционной истории яблока, и новая публикация на этой неделе в Nature Communications раскрывает удивительное понимание генетического обмена, который дал нам сегодняшние современные, одомашненные яблоко, Malus domestica.
В сотрудничестве с учеными из Корнельского университета и Шаньдунского сельскохозяйственного университета в Китае исследователи секвенировали и сравнили геномы 117 различных образцов яблок, включая M. domestica и 23 диких вида из Северной Америки, Европы, Восточной и Центральной Азия.
Повесть о двух дорогах
Самый захватывающий результат этого геномного сравнения - исчерпывающая карта эволюционной истории яблока. Предыдущие исследования показали, что обыкновенная яблоня, Malus domestica, произошла от среднеазиатской дикой яблони, Malus sieversii, с участием яблони вдоль Шелкового пути, когда она была завезена на запад в Европу.
Результаты этого нового исследования позволили исследователям увеличить карту для лучшего разрешения. «Мы сузили происхождение одомашненных яблок от очень обширной Центральной Азии до территории Казахстана к западу от горы Тянь-Шань», - объяснил Чжанцзюнь Фей, профессор BTI и ведущий автор этого исследования.
В дополнение к точному определению происхождения западного яблока, авторы были рады обнаружить, что первое одомашненное яблоко также путешествовало на восток, попутно скрещиваясь с местными дикими яблоками, давая предков мягких, десертных яблок, выращиваемых в Китае сегодня.
«Мы указали два основных эволюционных пути, западный и восточный, вдоль Шелкового пути, обнаруживая изменения качества фруктов на каждом этапе пути», - резюмировал Фей.
Хотя дикий M. sieversii растет к востоку от горы Тянь-Шань, в Синьцзянском регионе Китая, этот экотип никогда не культивировался и не способствовал восточно-домашнему гибриду. Наоборот, все эти столетия он оставался изолированным, сохраняя запас разнообразия, еще не использованный человеческим отбором. Первый автор Ян Бай заметил: «Это скрытая жемчужина для селекционеров яблок, которую нужно исследовать дальше».
Кислая (но твердая) сторона истории
По мере того, как яблоко путешествовало на запад по Шелковому пути в руках путешественников, деревья вырастали из брошенных семян и скрещивались с другими сортами диких яблок, включая невероятно кислую европейскую яблоню Malus sylvestris. Кислотность яблок была однажды описана Генри Дэвидом Торо как «достаточно кислая, чтобы стиснуть зубы белки и заставить кричать сойку».
Авторы обнаружили, что M. sylvestris внесла столь значительный вклад в геном яблока, что современное яблоко на самом деле больше похоже на кислую яблоню, чем на своего казахстанского предка, M. sieversii.
«У предкового вида, Malus sieversii, плоды, как правило, намного крупнее, чем у других диких яблок. Они также мягкие и имеют очень простой вкус, который людям не очень нравится», - заметил Бай.
Скрещивание между культивируемыми древними яблоками и M. sylvestris, а затем обширная человеческая селекция дали нам новые яблоки, которые крупнее и полнее на вкус, а также с хрустящей твердостью, что обеспечивает им более длительный срок хранения.
Бай далее объяснил: «Современные одомашненные яблоки имеют более высокое и хорошо сбалансированное содержание сахара и органических кислот. Именно поэтому яблоко стало популярным и любимым фруктом».
Значительное открытие с большим потенциалом
Новый вкус и текстура, возможно, добавили яблоко в наши пироги, но размер тоже имеет большое значение. В селекции сельскохозяйственных культур одним из наиболее желательных признаков, выбранных для отбора, является более крупный плод или семя. Почти во всех случаях одомашнивания фруктов у диких предков были крошечные плоды, которые в результате столетий селекции превратились в их большие, питательные культурные аналоги. Например, одомашненный помидор как минимум в 100 раз крупнее своих диких сородичей.
"Это не совсем так для яблок. Его одомашнивание началось с плодов среднего и крупного размера", - заявил Бай. «У него есть большой потенциал для дальнейшего увеличения размера плодов в программах разведения».
Сравнивая множество различных геномов яблок, исследователи смогли найти доказательства, подтверждающие два разных эволюционных шага, способствующих увеличению размера яблока - один до и один после одомашнивания.
Большой размер Malus sieversii по сравнению с другими дикими яблонями дал ему большое преимущество для одомашнивания. Он уже развился до подходящего размера еще до того, как его начали выращивать, что, вероятно, сделало его более привлекательным для производителей, которым не нужно было бы тратить много усилий на выбор более крупных плодов.
Такое отсутствие отбора по размеру также означает, что гены, ответственные за увеличение размера, все еще сохраняют изменчивость, которая потенциально может быть использована для отбора в будущем. Но это также может затруднить идентификацию генов, связанных с размером. Несмотря на это, обширность нового исследования позволила исследователям определить несколько генетических маркеров, лежащих в основе увеличения размера плода, что является отличной новостью для селекционеров, которые могут захотеть еще больше увеличить обхват яблока.
Яблоко (геном) падает далеко от яблони
В то время как потребители могут просить более качественные яблоки, селекционеры сталкиваются с трудностями, когда дело доходит до полировки качеств яблок. Одна из основных проблем заключается в том, что яблоко не может самоопыляться. Он может скрещиваться только с другими разновидностями, внося слишком большую генетическую изменчивость с каждым поколением. В то время как генетические изменения необходимы для изменения интересующей черты, слишком большие изменения изменят все. В сочетании с несколькими годами, чтобы получить от яблочного семени плоды, это делает селекцию желаемых признаков сложной задачей.
«Геномные регионы и гены-кандидаты, отобранные человеком для определенного признака, выявленного в этом исследовании, будут очень полезными и вдохновляющими для селекционеров, работающих над тем же признаком», - заявил Фей, который ожидает, что результаты этого исследования будут, «улучшите скорость и точность «выбора с помощью маркера» в Apple."
Теперь, имея обширную и разнообразную коллекцию репрезентативных геномов яблок, тщательный и тщательный анализ позволил группе Фэя выделить важные генетические маркеры, которые очень помогут селекционерам в их поисках лучших яблок - будь то устойчивость к болезням, срок хранения жизнь, вкус или даже размер.
На вопрос, насколько большим, по ее мнению, яблоко может стать в результате размножения, Бай ответила с искоркой в глазах: «Ну, в моем буйном воображении, может быть, однажды оно станет таким же большим, как арбуз».