Эволюция корней кукурузы: ответ на изменения климата и сельского хозяйства

Кукуруза была одомашнена из своего предка теосинте в центральной Мексике около 9 000 лет назад. За века корневые признаки кукурузы — самой широко возделываемой культуры в США и второй в мире по площади — эволюционировали в ответ на меняющиеся условия окружающей среды и сельскохозяйственные практики.

Чтобы понять, как корневые признаки эволюционировали в процессе доместикации, исследователи из Penn State провели комплексное исследование, результаты которого опубликованы в New Phytologist.

Методология исследования

Учёные реконструировали фенотипы корней и среду долины Теуакан (один из древнейших регионов доместикации) за последние 18 000 лет, используя:

• Древнюю ДНК из образцов древних растений.
• Палеоботанические данные (ископаемые растения, пыльца, химические сигнатуры).
• Функционально-структурное моделирование с помощью программы OpenSimRoot Model.

Три ключевых изменения корневой системы

В процессе превращения теосинте в кукурузу произошли три основных изменения:

1. Уменьшение количества узловых корней (поверхностные корни, растущие от основания стебля).
2. Развитие многослойной корковой склеренхимы — клеток с толстыми стенками, помогающих корням проникать в более глубокие слои почвы.
3. Увеличение количества зародышевых (семенных) корней, которые помогают проросткам получать питательные вещества на ранних стадиях.

Хронология эволюции корней

• 12 000–8 000 лет назад: Повышение уровня CO₂ в атмосфере способствовало развитию более глубокой корневой системы. Это поддержало сокращение узловых корней и появление многослойной корковой склеренхимы для доступа к воде и питательным веществам в более сухих почвах.
• К 6 000 лет назад: Внедрение ирригации изменило доступность азота (меньше в верхнем слое почвы, больше в глубине). Это ещё больше сократило узловые корни и усилило полезность склеренхимы для доступа к азоту в подпочве.
• Около 3 500 лет назад: Появилось больше зародышевых корней. Это совпало с интенсификацией сельского хозяйства, ростом населения и деградацией почв — условиями, в которых раннее развитие корней стало критически важным для выживания.

Значение для будущего

Исследование показывает, что корневые признаки, повышающие устойчивость растений к азотному стрессу, были ключевыми для адаптации кукурузы. Эти исторические данные могут служить ориентиром для будущей селекции, направленной на создание сортов кукурузы с корневыми системами, лучше адаптированными к меняющемуся климату (рост CO₂, трансформация почв).