Badania genetyczne mogą pomóc zbożom przetrwać zmiany klimatyczne
Długotrwały eksperyment rozpoczęty przed Wielkim Kryzysem odsłonił kluczowe geny, które decydują o zdolnościach adaptacyjnych jęczmienia, kluczowych dla jego przetrwania w różnorodnych klimatach oraz niezbędnych do produkcji piwa i whisky. Naukowcy badają te cechy genetyczne, aby zwiększyć odporność roślin uprawnych na współczesne wyzwania klimatyczne, koncentrując się na optymalnym czasie kwitnienia w celu maksymalizacji plonów.
Genetyczne klucze jęczmienia do zdolności adaptacji do klimatu
Dzięki eksperymentowi rozpoczętemu przed Wielkim Kryzysem badacze wskazali geny odpowiedzialne za niezwykłą zdolność adaptacji jęczmienia, kluczowego składnika piwa i whisky. Te spostrzeżenia mogą zapewnić dalsze przetrwanie upraw w obliczu szybkich zmian klimatycznych.
Uprawiany wszędzie, od Azji i Egiptu po Norwegię i Andy w Ameryce Południowej, jęczmień jest jedną z najważniejszych roślin zbożowych na świecie i jest uprawiany od co najmniej 12 000 lat. W miarę rozprzestrzeniania się po całym świecie, losowe zmiany w nim zachodzą DNA pozwoliło mu przetrwać w każdym nowym miejscu.
Spostrzeżenia genetyczne z stuletniego eksperymentu
Zidentyfikowanie genów, które uległy zmianie, jest niezwykle istotne, aby przewidzieć, które odmiany będą dobrze się rozwijać w miejscach zmagających się obecnie z coraz wyższymi temperaturami, dłuższymi okresami suszy i bardziej dramatycznymi burzami.
„Hodowcy od dawna rozumieją potrzebę uprawy roślin dobrze dostosowanych do lokalnego środowiska. Dlatego sto lat temu rozpoczęli ten eksperyment w Davis w Kalifornii z odmianami jęczmienia z całego świata w celu zidentyfikowania odmian przystosowanych lokalnie” – powiedział Dan Koenig, genetyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.
Nauka o przetrwaniu jęczmienia
„Naukowcy, którzy rozpoczęli eksperyment, nie byli w stanie określić, które geny decydują o sukcesie jęczmienia i jego wysokich plonach w określonym środowisku, ale teraz możemy badać dziesiątki milionów zmian genetycznych w ramach jednego eksperymentu w moim laboratorium” – powiedział Koenig .
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie opisano dziesiątki genów odpowiedzialnych za zdolność adaptacyjną jęczmienia Nauka. Koenig, który jest autorem korespondentem badania, wyjaśnił, że niektóre ze zidentyfikowanych przez nich genów pomagają jęczmieniu w czasie procesów reprodukcyjnych w najbardziej optymalnych momentach sezonu lęgowego.
„Kwitnienie albo zbyt wcześnie, albo zbyt późno oznacza, że roślina nie będzie w stanie wyprodukować nasion” – powiedział Koenig. „Aby rośliny wytworzyły maksymalną ilość nasion, muszą kwitnąć w bardzo wąskim oknie”.
Wyzwania i implikacje badań genetycznych
W Kalifornii rośliny uprawne muszą zakończyć kwitnienie przed rozpoczęciem długiej pory suchej, w przeciwnym razie nie będzie wystarczającej ilości wody do wytworzenia nasion. Jeśli jednak rośliny zakwitną zbyt wcześnie, mogą być narażone na przymrozki. Naukowcy ustalili, w jaki sposób genetyka umożliwia kwitnienie dokładnie w odpowiednim oknie, przy czym kilka genów promuje wczesne kwitnienie, a inne ograniczają późne kwitnienie.
Identyfikacja tych genów nie była łatwym procesem. „Jednym z wyzwań związanych ze zrozumieniem adaptacji genetycznych jest to, że zaobserwowanie ich może zająć dziesięciolecia, ponieważ rocznie można uprawiać tylko jedno pokolenie jęczmienia” – powiedział Koenig.
Na szczęście Koenig i jego współpracownicy mają dostęp do eksperymentu Barley Composite Cross II, założonego w Davis w Kalifornii w 1929 roku – jednego z najstarszych eksperymentów biologicznych na świecie. Zainicjowano odkrywanie nowych odmian jęczmienia na rynek kalifornijski. Hodowcy w Davis przez dziesięciolecia rywalizowali ze sobą tysiące genetycznie odrębnych rodzajów jęczmienia. Jęczmień, który najlepiej rósł w gorącym, suchym klimacie Kalifornii, wyprzedził swoich sąsiadów i z czasem stał się coraz częstszy.
Grupa Koeniga zdała sobie sprawę, że nasiona tego eksperymentu można wykorzystać jako wehikuł czasu do bezpośredniej obserwacji procesu adaptacji i identyfikacji genów umożliwiających przetrwanie.
W ciągu tych 58 sezonów wegetacyjnych pole rozrosło się od 15 000 genetycznie odrębnych pojedynczych roślin do jednej linii roślin dominującej 60% populacji ¾ bez jakiejkolwiek selekcji dokonywanej przez ludzi.
„Byliśmy zszokowani ilością zmian, które zaszły w krótkim czasie ewolucji” – powiedział Koenig. „Dobór naturalny całkowicie przekształcił różnorodność genetyczną w całym genomie zaledwie w ciągu życia człowieka”.
Zespół badawczy planuje dodatkowe badania w celu sprawdzenia długoterminowych danych eksperymentalnych z różnych klimatów, aby zrozumieć, w jaki sposób czas kwitnienia może być różnie dostrojony.
Zespół chciałby także lepiej zrozumieć coś ciekawego, co zaobserwował. Podczas eksperymentu Davisa populacja roślin zawierała odmiany pochodzące z wielu miejsc. Przystosowując się do Północnej Kalifornii, rośliny w naturalny sposób zwiększyły swoje plony prawie dwukrotnie. Jednakże wzrost ten jest nadal mniejszy niż to, co hodowcy uzyskują w przypadku strategii ręcznej selekcji.
„Plon może konkurować z innymi cechami, takimi jak szybki wzrost lub wysoki wzrost” – powiedział Koenig. „Hodowcy chcą roślin, które będą przyjaznymi sąsiadami, ale bycie przyjaznym może ograniczyć adaptację do środowiska”.
Ponieważ jęczmień jest genetycznie podobny do pszenicy, ryżu i kukurydzy, wiedza na temat jego przetrwania w tak różnorodnych środowiskach może pomóc innym zbożom przystosować się do ekstremalnych warunków klimatycznych.
Wykorzystując nowoczesne technologie, takie jak inżynieria genomu i CRISPR, badacze mogliby spróbować opracować inne rośliny uprawne, które kwitną w określonych, korzystniejszych terminach.
„Zdolność jęczmienia do przystosowywania się stała się kamieniem węgielnym rozwoju cywilizacji. Zrozumienie, że ważne jest nie tylko dalsze wytwarzanie napojów alkoholowych, ale także nasza zdolność do uprawy przyszłych upraw i zwiększania ich zdolności do adaptacji do zmian na świecie” – powiedział Koenig.
Odniesienie: „Dobór naturalny napędza wyłaniającą się jednorodność genetyczną w stuleciu eksperymentu z jęczmieniem” Jacoba B. Landisa, Angeliki M. Guercio, Keely E. Brown, Christophera J. Fiscusa, Petera L. Morrella i Daniela Koeniga, 12 lipca 2024 r. , Nauka.
DOI: 10.1126/science.adl0038
