Badanie wyjaśniło, w jaki sposób różnorodność genetyczna pszenicy chlebowej, wynikająca z Aegilops tauschii, przyczyniła się do jej globalnego rozprzestrzeniania się i dominacji w rolnictwie, zapewniając niezbędne zasoby dla przyszłej hodowli pszenicy.
Znaczące międzynarodowe badanie ujawniło, jak pszenica chlebowa odegrała kluczową rolę w przemianie starożytnego świata, stając się w końcu podstawową uprawą, która obecnie utrzymuje ośmiomiliardową populację na świecie.
„Nasze odkrycia rzucają nowe światło na ikoniczne wydarzenie w naszej cywilizacji, które stworzyło nowy rodzaj rolnictwa i umożliwiło ludziom osiedlenie się i utworzenie społeczeństw” – powiedziała profesor Brande Wulff, badacz pszenicy w KAUST (Uniwersytet Nauki i Technologii Króla Abdullaha) i jednym z głównych autorów badania, które ukazuje się w Natura.
Profesor Cristobal Uauy, lider grupy w John Innes Center i jeden z autorów badania, powiedział: „Ta praca stanowi przykład znaczenia globalnej współpracy oraz wymiany danych i nasion między krajami; możemy osiągnąć tak wiele, łącząc zasoby i wiedzę specjalistyczną w różnych instytutach i ponad granicami międzynarodowymi”.
Różnorodność genetyczna i pochodzenie pszenicy chlebowej
Sekret sukcesu pszenicy chlebowej wynika z badań przeprowadzonych przez instytuty tworzące firmę Otwarte Konsorcjum Dzikiej Pszenicy (OWWC), polega na różnorodności genetycznej dzikiej trawy zwanej Aegilops tauschii.
Pszenica chlebowa jest hybrydą trzech dzikich traw zawierającą trzy genomy (A, B i D) w obrębie jednej złożonej rośliny.
Aegilops tauschii, skądinąd niepozorny chwast, dostarczył genomu D pszenicy chlebowej, gdy skrzyżowała się z wcześnie uprawianą pszenicą makaronową na Żyznym Półksiężycu około ośmiu do jedenastu tysięcy lat temu.
Przypadkowa hybrydyzacja na brzegach południowego Morza Kaspijskiego zapoczątkowała rewolucję rolniczą. Uprawa pszenicy chlebowej szybko rozprzestrzeniła się na wiele nowych klimatów i gleb, ponieważ rolnicy entuzjastycznie przyjęli tę nową, dynamiczną uprawę, charakteryzującą się wysoką zawartością glutenu, dzięki której uzyskuje się bardziej zwiewne, elastyczne ciasto chlebowe.
Ten szybki postęp geograficzny zaintrygował badaczy pszenicy. Nie ma dzikiej pszenicy chlebowej, a rodzaj hybrydyzacji, który dodał nowy genom D do istniejących genomów A i B pszenicy, stworzył genetyczne wąskie gardło, w wyniku czego nowy gatunek miał znacznie zmniejszoną różnorodność genetyczną w porównaniu z otaczającymi ją dzikimi trawami.
Zagadka szerokiej adaptacji pszenicy
Ten efekt wąskiego gardła w połączeniu z faktem, że pszenica jest gatunkiem wsobnym – co oznacza, że jest samozapylająca – sugerowałby, że pszenica chlebowa może borykać się z problemami poza swoim pochodzeniem z Żyznego Półksiężyca. Jak więc stał się popularny i powszechnie przyjęty w całym regionie?
Aby rozwiązać tę zagadkę, w ramach międzynarodowej współpracy zebrano panel różnorodności składający się z 493 unikalnych gatunków obejmujących zasięg geograficzny Aegilops tauschii od północno-zachodniej Turcji po wschodnie Chiny.
Z tego panelu badacze wybrali 46 pozycji odzwierciedlających cechy gatunkowe i różnorodność genetyczną, aby stworzyć Pangenom, wysokiej jakości mapę genetyczną Aegilops tauschii.
Korzystając z tej mapy, zeskanowano 80 000 lokalnych odmian pszenicy chlebowej – odmian zaadaptowanych lokalnie – znajdujących się w posiadaniu CIMMYT i zebranych z całego świata.
Rewolucja rolna i ekspansja pszenicy
Dane te wykazały, że około 75% genomu D pszenicy chlebowej pochodzi z linii (L2) Aegilops tauschii, która pochodzi z południowego Morza Kaspijskiego. Pozostałe 25% jego składu genetycznego pochodzi z linii rodowych w całym jego zasięgu.
„Ten 25% napływ materiału genetycznego z innych linii tauschii przyczynił się do sukcesu pszenicy chlebowej i zdefiniował go” – powiedział profesor Simon Krattinger, główny autor badania.
„Bez żywotności genetycznej, jaką zapewnia ta różnorodność, najprawdopodobniej nie jedlibyśmy chleba na taką skalę, jak dzisiaj. W przeciwnym razie dzisiejsza pszenica chlebowa byłaby uprawą regionalną – ważną dla Bliskiego Wschodu, ale wątpię, czy stałaby się dominująca na świecie bez tej plastyczności, która umożliwiła pszenicy chlebowej przystosowanie się.
Poprzednie badanie przeprowadzone przez OWWC ujawniło istnienie odrębnej linii rodowej Aegilops tauschii, ograniczonej geograficznie do dzisiejszej Gruzji na Kaukazie – 500 kilometrów od Żyznego Półksiężyca. Linia Aegilops tauschii (L3) jest znacząca, ponieważ dostarczyła pszenicy chlebowej najbardziej znany gen określający jakość ciasta.
W tym badaniu badacze postawili hipotezę, że gdyby była to introgresja historyczna, podobna do śladu genetycznego neandertalczyka w ludzkim genomie, w zbiorach CIMMYT znaleźliby rasy lądowe, które zawierałyby ten ślad w większym stopniu.
Analiza danych wykazała, że odmiany lokalne pszenicy CIMMYT zebrane z regionu Gruzji zawierały 7% introgresji L3 w genomie, siedem razy więcej niż odmiany pszenicy chlebowej zebrane z Żyznego Półksiężyca.
Mapowanie i analiza genetyczna
„Wykorzystaliśmy przyrosty L3 tauschii jako królika doświadczalnego do śledzenia hybrydyzacji przy użyciu 80 000 odmian pszenicy chlebowej” – powiedział profesor Krattinger.
„Dane pięknie potwierdzają obraz, w którym pszenica chlebowa pojawia się w południowej części Morza Kaspijskiego, następnie wraz z migracją i ekspansją rolniczą dotarła do Gruzji, a tutaj, dzięki przepływowi genów i hybrydyzacjom z osobliwymi, genetycznie odrębnymi i ograniczonymi geograficznie przystąpieniami do L3, spowodowało to napływ nowych materiał genetyczny.”
„To jeden z nowatorskich aspektów naszego badania, który potwierdza, że korzystając z naszych nowych zasobów, możemy prześledzić dynamikę tych introgresji w pszenicy chlebowej”.
Oprócz rozwiązania tej odwiecznej tajemnicy biologicznej, badacze i hodowcy na całym świecie wykorzystują nowy pangenom i plazmę zarodkową Aegilops tauschii o otwartym kodzie źródłowym udostępnione przez OWWC do odkrywania nowych genów odporności na choroby, które będą chronić uprawy pszenicy przed starodawnymi plagi rolnicze, takie jak rdza pszenna. Mogą także wydobywać z tego gatunku dzikiej trawy geny odporne na klimat, które można hodować w elitarnych odmianach pszenicy.
Naukowcy z John Innes Center ściśle współpracowali z kolegami z KAUST, stosując podejścia bioinformatyczne do śledzenia poziomów DNA przyczynił się do powstania pszenicy chlebowej przez linię L3 Aegilops tauschii.
Profesor Uauy podsumował: „Badanie podkreśla znaczenie utrzymywania zasobów genetycznych, takich jak finansowana przez BBSRC Jednostka Zasobów Zarodkowych w John Innes Center, która przechowuje historyczne kolekcje dzikich traw, które można wykorzystać do wyhodowania cennych cech, takich jak odporność na choroby i szkodniki odporność na współczesną pszenicę”.
Odniesienie: „Pochodzenie i ewolucja genomu D pszenicy chlebowej”: Emile Cavalet-Giorsa, Andrea González-Muñoz, Naveenkumar Athiyannan, Samuel Holden, Adil Salhi, Catherine Gardener, Jesús Quiroz-Chávez, Samira M. Rustamova, Ahmed Fawzy Elkot, Mehran Patpour, Awais Rasheed, Long Mao, Evans S. Lagudah, Sambasivam K. Periyannan, Amir Sharon, Axel Himmelbach, Jochen C. Reif, Manuela Knauft, Martin Mascher, Nils Stein, Noam Chayut, Sreya Ghosh, Dragan Perovic, Alexander Putra , Ana B. Perera, Chia-Yi Hu, Guotai Yu, Hanin Ibrahim Ahmed, Konstanze D. Laquai, Luis F. Rivera, Renjie Chen, Yajun Wang, Xin Gao, Sanzhen Liu, W. John Raupp, Eric L. Olson, Jong-Yeol Lee, Parveen Chhuneja, Satinder Kaur, Peng Zhang, Robert F. Park, Yi Ding, Deng-Cai Liu, Wanlong Li, Firuza Y. Nasyrova, Jan Dvorak, Mehrdad Abbasi, Meng Li, Naveen Kumar, Wilku B. Meyer, Willem HP Boshoff, Brian J. Steffenson, Oadi Matny, Parva K. Sharma, Vijay K. Tiwari, Surbhi Grewal, Curtis J. Pozniak, Harmeet Singh Chawla, Jennifer Ens, Luke T. Dunning, James A. Kolmer, Gerard R. Lazo, Steven S. Xu, Yong Q. Gu, Xianyang Xu, Cristobal Uauy, Michael Abrouk, Salim Bougouffa, Gurcharn S. Brar, Brande BH Wulff i Simon G. Krattinger, 14 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07808-z
