Новое исследование, опубликованное в выпуске журнала Nature Genetics от 3 апреля, описывает приключение типа ancestry.com, которое раскрывает глубокую историю семьи, включая некоторых родственников с сомнительной репутацией. Но семья в данном случае - азиатский рис (Oryza sativa), а сомнительные родственники - сорные родственники одомашненного риса..
Сорняковый рис - это не дикий рис и не сельскохозяйственный рис, а скорее одомашненный рис, который утратил некоторые важные для человека черты. Приспособленный к заботе человека, он не растет за пределами сельскохозяйственных полей, но в то же время его нелегко собрать, и он дает неприятные на вкус семена.
В зависимости от того, где вы находитесь в мире, снижение урожайности риса может достигать 90 процентов из-за этих сорняков, сказал Кеннет Олсен, профессор биологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе и ведущий автор на бумаге. По оценкам, даже в США сорный рис присутствует на 30 процентах рисовых полей и приводит к потерям урожая более чем на 50 миллионов долларов в год.
В США есть два основных сорта сорнякового риса: соломенный и черный остевой. (Ости - это длинные щетинки, которые придают некоторым травам опушенный вид). Поскольку два вида сорняков развились независимо, они дают идеальную возможность изучить генетическую основу сорняков и, в частности, всегда ли они возникают благодаря одному и тому же генетическому механизму.
Для этой цели группа ученых из Китая и США, в том числе из Вашингтонского университета, секвенировала геномы 18 соломенных сорняков и 20 черноплодных сорняков и сравнила их со 145 ранее опубликованными геномами зерновых и дикорастущих сортов риса.
Анализ показал, что: два сорняка произошли от двух разных сортов сельскохозяйственных культур; они возникли на разных стадиях процесса одомашнивания; и генетическая основа сорняков различается между штаммами. Выяснилось также, что в обоих случаях требуется относительно немного изменений, чтобы превратить культурное растение в сорняк.
Рис, другими словами, имеет склонность к сорнякам. «Развить сорняки легко, и это случалось неоднократно», - сказал Олсен.
Больше не сутулиться
«Эволюция сорных родственников сельскохозяйственных культур является недооцененной частью процесса одомашнивания», - продолжил Олсен. «До недавнего времени мало кто из тех, кто изучает приручение, уделял много внимания этим сорнякам-двойникам, которые просто упорствовали на полях».
Когда рис сажают вручную, каждый саженец тщательно изучается, а сорняки выбрасываются. Но внедрение механизированного земледелия с прямым посевом изменило уравнение.«Родственные сорняки очень похожи на культуру, они сливаются с ней, и фермеры не осознают, что у них есть проблема, пока они не столкнутся с настоящим заражением», - сказал Олсен..
Одним из наиболее заметных признаков сорняков является сильное осыпание семян. «Когда зерновые культуры были одомашнены, люди выбирали против осыпания, потому что это облегчало сбор зерна, но если вы сорняк, вам нужно рассеивать семена. Таким образом, с сорняками снова появляется осыпание семян», - Олсен. объяснил.
Сорняки также имеют очень стойкий период покоя семян, сказал он. Во время одомашнивания происходит отбор против периода покоя, потому что фермеры выбирают то, что приходит первым. Но, опять же, это плохая стратегия для сорняков, так что спящий режим также возвращается.
Сочетание осыпания и длительного покоя означает, что на посевных полях есть запас семян сорняков, которые могут прорастать год за годом и вытеснять урожай.
Глубокая история риса
Генетический анализ, проведенный группой ученых, показал, что два штамма сорняков произошли от двух отдельных сортов риса, индики и аус, которые были одомашнены в разных частях Азии.
Большая часть риса, выращиваемого в США, представляет собой третий сорт, японский, одомашненный в еще одном месте. По этой причине, а также из-за сравнительно небольшого генетического разнообразия двух сортов сорняков, они, вероятно, были завезены в США в качестве загрязняющих веществ в зерновых запасах.
Оба сорта сорняков возникли после одомашнивания риса и появления некоторых сортовых различий в культуре. Но сорняк черноплодный, похоже, отделился от разновидности риса аус намного раньше, чем сорняк соломенный отделился от индики.
Одомашнивание сельскохозяйственных культур - это длительный процесс, который обычно делится на два этапа, - пояснил Олсен. На первом этапе человеческий отбор отдает предпочтение «чертам одомашнивания», которые в первую очередь позволяют выращивать растение, например, семенные головки, которые нелегко разбить. Позже человеческий отбор отдает предпочтение «улучшающим чертам», таким как запах попкорна и вкус риса басмати.
Чем большим количеством этих признаков обладает сорняк, тем позже он эволюционировал. Оба штамма сорняков в США имеют только культурные варианты трех генов, которые являются мишенями селекции во время одомашнивания риса. С другой стороны, соломенная, но не черная сорняковая разновидность, имеет гены для большинства широко отобранных улучшающих признаков.
Сорняки появились после того, как рис был одомашнен, но до того, как он был улучшен, а соломенные сорняки отделились только после того, как рис был дополнительно улучшен селекцией
Одомашнивание
Установив время возникновения сорняков, ученые посмотрели, как они развивались, сравнив геномы сорняков с геномами их предполагаемых предков-культур. Они искали «признаки отбора», свидетельство мутаций настолько благоприятных, что они быстро распространялись в популяции.
Они обнаружили, что сигнатуры соответствуют областям генома, которые контролируют признаки сорняков, но не тем, на которые влияет одомашнивание. Например, все сорные сорта риса обладают мутацией sh4, характерной для одомашненных неосыпающихся сортов риса. Однако восемь других генных областей участвуют в повторном приобретении растрескивания сорными штаммами.
Более того, большинство генов адаптации к сорнякам сгруппированы в геномные островки, а не распределены случайным образом по всему геному.
«Это разные геномные острова в каждом типе сорняков», - сказал Олсен. «Поэтому превращение сельскохозяйственных культур в сорняки не требует множества генетических изменений и может происходить с помощью различных генетических механизмов».
"Мы должны иметь в виду кажущуюся легкость, с которой эти сельскохозяйственные сорняки неоднократно развивались по мере того, как мы переходим к механизированным методам производства, которые способствуют их успеху."
«Что меня восхищает в этих сорняках, - сказал Олсен, - так это то, как они кооптировали сельскохозяйственную систему. Они используют эту прекрасную среду, которую мы создаем, вспахивая и обеспечивая питательными веществами, и намного превосходят растения, обладающие желательными качествами».