Как геномное разнообразие основных сельхозкультур рассказывает историю их эволюции

27 марта 2024 года в журнале Nature было объявлено о расшифровке генома сахарного тростника. Это достижение стало выдающимся из-за сложности его генома. Геном риса, первой культуры, секвенированной более 20 лет назад, был «простым»: 12 хромосом, две идентичные копии каждой, всего 400 миллионов пар оснований (Мб).

Сахарный тростник гораздо сложнее: это полиплоидное растение содержит больше копий каждой хромосомы. У него в 10 раз больше хромосом для секвенирования, чем у риса, каждая из них длиннее, а размер генома в 20 раз больше. Чтобы взломать код, команда исследователей CIRAD использовала в качестве модели сорго — близкого родственника из того же семейства (Graminaceae), но с гораздо меньшей избыточностью генома.

Изучение генома культур и их разнообразия раскрывает путь их эволюции по мере одомашнивания и отбора фермерами в разных средах. Например, рис эволюционировал через мутации и естественное скрещивание различных форм, появившихся вокруг Гималаев, которые отбирались в течение 10 000 лет одомашнивания. Это привело к появлению множества сортов, гарантирующих производство в широком диапазоне условий.

Сахарный тростник родом с островов Юго-Восточной Азии: он является результатом более широкого генетического смешения, включившего несколько родственных видов. Это позволило ему сочетать устойчивость к различным болезням и невероятную вегетативную силу, сделав его самым эффективным растением для производства биомассы. Он настолько толерантен к генетическому смешению, что можно создавать всевозможные гибриды, даже межродовые.

Понимание того, как растения адаптировались в прошлом, помогает планировать и ускорять будущую адаптацию культур.

Сорок лет исследований генома растений

Это побудило CIRAD создать лабораторию анализа геномов тропических видов еще в 1986 году. Позже она стала Региональной платформой генотипирования. Ее команды создали первые генетические карты, а затем, благодаря национальной структуре генотипирования (например, Génoscope) и международному сотрудничеству, в 2010-х годах вывели несколько тропических растений в число ведущих биологических моделей: какао, банан и цитрусовые.

В последние годы список пополнился арабикой, ванилью и, конечно, сахарным тростником. В настоящее время прогресс достигнут в изучении кокоса, каучука, масличной пальмы, ямса, арахиса, сорго и фонио, расширяя спектр геномных исследований на аборигенные растения.

Для культур, сорта которых легко скрещиваются, это позволяет определить последовательности, связанные с важными агрономическими признаками. Следующий шаг — отбор этих признаков при создании новых сортов.

Для других видов смешение происходит дольше и более случайно, иногда через маловероятные, почти чудесные комбинации. Ученые смогли выявить неожиданные гибридизации, которые удалось идентифицировать внимательным людям: десертные бананы, плантаны, апельсины, лимоны, грейпфруты, каламондины и арабика.

Какао, распространенное более 5000 лет назад

На примере какао удалось изучить разнообразие его генома на основе современных геномов и древней ДНК, найденной в черепках доколумбовой керамики.

Какао родом из Амазонии и было распространено людьми очень рано, вероятно, более 5000 лет назад, вплоть до тихоокеанского побережья и Центральной Америки. Многочисленные смешения между популяциями очень далекого генетического происхождения позволили какао адаптироваться к новым средам.

Для любителей шоколада это смешение также позволило развить новые ароматические свойства, такие как те, что сейчас встречаются в бобах сортов Криолло и Насьональ.

Бананы и цитрусовые — плоды гибридизации

Что касается бананов, данные геномики предполагают, что их одомашнивание началось в регионе Новой Гвинеи на основе гибридов между группами banksii, schizocarpa и, возможно, zebrina вида Musa acuminata.

Эти первые культивары затем были перенесены в разные регионы Юго-Восточной Азии и гибридизированы с другими местными подвидами рода Musa, что привело к их диверсификации и появлению различных типов сортов, которые мы знаем сейчас, с участием до семи предковых линий.

Большинство современных видов цитрусовых происходят от четырех исходных видов. Например, лаймы (Citrus latifolia) являются результатом естественной гибридизации между лимоном и лаймом и включают четыре предковых вида.

Геномика пролила свет на производство репродуктивных клеток (гамет) в этих сложных геномных контекстах и может помочь в создании устойчивых к болезням подвоев.

Адаптация кофе

Арабика также является результатом одного из этих маловероятных случаев гибридизации. Она объединила геномы двух разных видов (Coffea canephora и C. eugenioides), но это произошло только один раз.

Этот новый гибрид возник около 500 000 лет назад в Эфиопии, и арабы выбрали его для производства кофе примерно с XIV века. Он принес множество свойств благодаря разнообразию внутри каждого растения, но все производные от него растения почти идентичны.

С тех пор приоритетом стало продолжение адаптации путем поиска других редких событий, которые могли бы расширить это разнообразие за счет интрогрессии из других источников. Внимание теперь сосредоточено на локальных формах в Эфиопии и Йемене.

Ценные ресурсы для генетического улучшения

Все эти маловероятные события, специфичные для каждой культуры, были очень полезны, но их трудно воспроизвести. Изучить варианты для создания и поддержания разнообразия, необходимого для адаптации, можно, только поняв все детали. Некоторые формы, крайне редкие, являются единственными источниками признаков, которые могут иметь решающее значение в будущем.

CIRAD в сотрудничестве с INRAE и IRD, а также с международными исследовательскими сетями и частными структурами, сохраняет и поддерживает коллекции генетических ресурсов (семена, лиофилизированные клетки или целые растения) в Монпелье, на Корсике, в Гваделупе, Французской Гвиане и на Реюньоне.

Эти мероприятия дороги, но представляют собой важнейшие инвестиции в будущее. Мобилизуя доступное разнообразие в тесной связи с другими участниками — от фермеров до исследовательских центров — мы готовим сорта завтрашнего дня.

Геномное разнообразие, ключевой фактор будущих действий, стало глобальной проблемой. Если мы знаем, какой биологический потенциал предлагают определенные последовательности, мы можем управлять их передачей потомству. Возможно даже переписать их с помощью редактирования генома, чтобы передать желаемые биологические атрибуты существующим сортам без необходимости скрещивания.

При наличии биотехнических знаний этот метод генетического улучшения кажется безграничным, особенно за счет облегчения смешения. В результате в этой области знаний, которая в настоящее время является предметом больших дебатов, возникают вопросы, связанные с общественным выбором и интеллектуальной собственностью.

Распространение знаний

Исследование геномного разнообразия — это, прежде всего, ответ на экологический вызов (изменение климата), который требует ускорения работ по адаптации растений к конкретным, контрастным и быстро меняющимся условиям выращивания, в тесном взаимодействии с производителями.

Однако это также решает социальную проблему: необходимо гарантировать доступ к информации, чтобы каждый мог ее усвоить, адаптировать свои культуры и продолжать устойчиво питаться. Поэтому мы работаем над расширением доступа к данным и инструментам анализа с помощью биоинформатических платформ, содержащих специальные геномные базы данных для каждого растения. И мы помогаем формировать более справедливые компетенции, обучая молодых ученых во Франции и у наших партнеров на глобальном Юге инструментам функциональной и сравнительной геномики и их использованию.