Генетическая адаптация ячменя: как столетний эксперимент помогает спасти урожай
Благодаря эксперименту, начатому до Великой депрессии, исследователи определили гены, отвечающие за выдающуюся адаптивность ячменя — ключевого ингредиента пива и виски. Эти данные могут обеспечить выживание культуры в условиях быстрого изменения климата.
Ячмень, одна из важнейших зерновых культур мира, выращивается повсеместно. По мере распространения по земному шару случайные изменения в его ДНК позволили ему выживать в каждой новой локации. Определение генов, которые изменились, критически важно для прогнозирования, какие сорта будут процветать в регионах, страдающих от жары, засухи и экстремальных штормов.
"Селекционеры давно понимали необходимость в создании культур, адаптированных к местной среде. Поэтому век назад в Дэвисе, Калифорния, они начали этот эксперимент с сортами ячменя со всего мира, чтобы выявить локально адаптированные сорта", — сказал генетик Дэн Кениг.
Десятки генов, способствующих адаптивности ячменя, описаны в новом исследовании, опубликованном в журнале Science. Некоторые из этих генов помогают ячменю синхронизировать репродуктивные процессы с наиболее оптимальными периодами сезона.
"Цветение слишком рано или слишком поздно означает, что растение не сможет производить семена. Для максимального урожая цветение должно происходить в очень узком временном окне", — пояснил Кениг.
В Калифорнии растения должны завершить цветение до начала длинного сухого сезона, иначе не будет достаточно воды для формирования семян. Но если они зацветут слишком рано, то могут пострадать от заморозков. Исследователи выявили, как генетика позволяет цвести в нужное окно: одни гены способствуют раннему цветению, другие — подавляют позднее.
Эксперимент как "машина времени"
Определить эти гены было непросто. "Одна из сложностей в понимании генетической адаптации — её наблюдение может занять десятилетия, так как можно вырастить только одно поколение ячменя в год", — отметил Кениг.
К счастью, у исследователей был доступ к эксперименту Barley Composite Cross II, основанному в Дэвисе в 1929 году — одному из старейших биологических экспериментов в мире. В течение десятилетий тысячи генетически различных типов ячменя конкурировали друг с другом в условиях жаркого и сухого климата Калифорнии.
Группа Кенига поняла, что семена из этого эксперимента можно использовать как "машину времени" для прямого наблюдения процесса адаптации и идентификации генов, обеспечивших выживание.
За 58 сезонов выращивания популяция в поле эволюционировала от 15 000 генетически различных растений до состояния, где одна линия доминировала в 60% популяции — без какого-либо искусственного отбора со стороны человека.
"Мы были шокированы масштабом изменений, произошедших за столь короткое эволюционное время. Естественный отбор полностью преобразовал генетическое разнообразие по всему геному всего за человеческую жизнь", — сказал Кениг.
Будущие исследования и значение
Исследовательская группа планирует изучить долгосрочные экспериментальные данные из разных климатических зон, чтобы понять, как по-разному может настраиваться время цветения.
Также учёные хотят лучше понять любопытное наблюдение: по мере адаптации к Северной Калифорнии растения естественным образом увеличили урожайность почти вдвое. Однако этот прирост всё ещё меньше, чем достигается при ручной селекционной стратегии.
"Урожайность может конкурировать с другими признаками, такими как скорость роста или высота. Селекционеры хотят "дружелюбных" растений-соседей, но это "дружелюбие" может ограничивать адаптацию к среде", — предположил Кениг.
Поскольку ячмень генетически схож с пшеницей, рисом и кукурузой, понимание механизмов его выживания может помочь адаптировать и эти зерновые культуры к климатическим экстремумам. С помощью современных технологий, таких как геномное редактирование и CRISPR, можно попытаться создать другие культуры, цветущие в более выгодное время.
"Способность ячменя адаптироваться служила краеугольным камнем развития цивилизации. Понимание этого важно не только для продолжения производства алкогольных напитков, но и для нашей способности создавать культуры будущего и усиливать их адаптацию к меняющемуся миру", — заключил Кениг.