Застряв на месте, растения должны приспосабливаться к окружающей среде, реагируя на такие стрессы, как засуха или вредители, изменяя способ своего роста.
В более широком масштабе селекционеры должны иметь возможность выводить новые сорта, адаптированные к новому местоположению или изменяющимся условиям выращивания в той же местности.
Оба типа адаптации опираются на пул возможностей, комбинации, из которых можно выбирать. Для отдельного растения эти возможности зависят от генома, с которым оно родилось. Для селекционеров этот пул возможностей - это весь спектр геномов культурных растений, которые они могут смешивать для создания новых сортов.
Исследователи из Висконсинского университета в Мэдисоне хотели узнать, изменились ли за последние 100 лет отбора кукурузы, акклиматизирующейся в определенных местах, ее способность адаптироваться к новым или стрессовым условиям. Измеряя популяции растений кукурузы, посаженных в Северной Америке, они могли проверить, как геномы кукурузы реагируют на различные условия выращивания. В статье для Nature Communications профессор агрономии Университета Вашингтона в Мэдисоне Наталья де Леон, ее студент Джо Гейдж и коллеги из нескольких институтов сообщают, что искусственный отбор селекционеров сузил круг возможностей для сортов кукурузы в Северной Америке.
Они пришли к выводу, что существующие сорта кукурузы крепкие и стабильные, но менее гибкие в своей способности реагировать на различные стрессы. В то же время у этих популяций кукурузы может быть снижена способность участвовать в программах селекции, направленных на создание новых сортов, адаптированных к новым условиям.
«За последние 100 лет люди определенно улучшили сорта», - объясняет де Леон, старший автор нового отчета. «Что мы пытались сделать в этом исследовании, так это измерить, ограничили ли мы тем самым способность генотипов реагировать на изменения окружающей среды».
При интенсивной селекции для получения высокой урожайности, скажем, в Висконсине, эти растения могут потерять гибкость, чтобы реагировать на окружающую среду, которая сильно отличается от условий выращивания в Висконсине. Чтобы проверить эту идею, де Леон и ее коллеги из 12 сельскохозяйственных университетов США и Канады разработали крупное полевое испытание с более чем 850 уникальными сортами кукурузы в 21 месте по всей Северной Америке. Всего было создано более 12 000 полевых участков, на которых исследователи измеряли такие характеристики, как урожайность и высота растений, одновременно записывая погодные условия.
Массовый эксперимент возможен только благодаря сотрудничеству, которое возглавляют де Леон, профессор агрономии UW-Madison Шон Кэпплер и другие, под названием «Геномы в поля». Проект охватывает 20 штатов и Канаду, предоставляя именно тот диапазон различных полевых условий, который необходим для изучения различных вкладов геномов и окружающей среды в окончательные признаки кукурузы, которые использовались в новом исследовании..
Де Леон и ее сотрудники обнаружили, что области генома кукурузы, подвергшиеся высокой степени отбора, например области генов, которые способствуют высокой урожайности в определенном месте, были связаны со сниженной способностью кукурузы реагировать на изменчивую среду, чем области генома, на которые селекционеры не воздействовали напрямую. В результате современные сорта кукурузы очень продуктивны в среде, в которой они выращиваются, но им может быть труднее приспосабливаться к изменениям в этой среде.
Данные, кажется, указывают на идею о том, что, выбирая генотипы, которые лучше подходят для повышения продуктивности, мы разрушаем изменчивость, которая может быть важна, когда мы движемся в мир, где климат может быть более неустойчивым и где мы возможно, потребуется переместить сорта в места, где они раньше не выращивались», - говорит де Леон.
Тем не менее, эта потеря гибкости является неотъемлемым компромиссом для высокопродуктивных сортов кукурузы, говорит она.
«Когда вы пытаетесь адаптировать сорта к различным средам, вы в конечном итоге получаете растения, которые нигде не хороши», - говорит де Леон. «Цена поддержания этой пластичности - в ущерб максимальной производительности».
«Поэтому в долгосрочной перспективе мы должны найти правильный баланс», - говорит она.