Голямо международно изследване разкрива как хлебната пшеница е трансформирала древния свят в култура, която днес изхранва осем милиарда души.
“Нашите открития хвърлят нова светлина върху това емблематично растение, което е създало нов вид земеделие и е позволило на хората да се установят и да формират общества,” каза професор Бранде Вулф, изследовател на пшеницата в KAUST (Университет за наука и технологии “Крал Абдула”) и един от водещите автори на изследването, публикувано в Nature.
Професор Кристобал Уауи, ръководител на група в Центъра Джон Инес и съавтор на изследването, подчертава: “Тази работа акцентира върху значението на глобалното сътрудничество и обмена на данни и семена между различни държави. Като обединим ресурси и опит от различни институти и международни граници, можем да постигнем значителни резултати.”
Според изследванията на институтите, които съставляват Консорциума за отворена дива пшеница (OWWC), тайната на успеха на хлебната пшеница се крие в генетичното разнообразие на дивата трева, наречена Aegilops tauschii.
Хлебната пшеница представлява хибрид между три диви треви, които съдържат три генома (A, B и D) в рамките на едно изключително сложно растение.
Aegilops tauschii, иначе незабележим плевел, предоставя D-генома на хлебната пшеница, когато се кръстосва с ранно култивирана пшеница в Плодородния полумесец преди около осем до единадесет хиляди години.
Случайната хибридизация по бреговете на южната част на Каспийско море предизвиква селскостопанска революция. Отглеждането на пшеница бързо се разпространява в различни климатични условия и почви, тъй като фермерите с ентусиазъм възприемат тази нова култура с високо съдържание на глутен, което създава по-ефирно и еластично тесто за хляб.
Този бърз географски напредък озадачава изследователите на пшеницата. Няма дива хлебна пшеница, а хибридизацията, която добавя новия геном D към съществуващите геноми A и B на пшеницата, създава генетично тясно място, при което новият вид има значително намалено генетично разнообразие в сравнение с околните диви треви.
Този ефект на затруднение, съчетан с факта, че пшеницата е самоопрашващ се вид, предполага, че хлебната пшеница може да има трудности извън своя произход в Плодородния полумесец. Как тогава пшеницата успява да се разпространи по целия свят?
За да разрешат тази загадка, международен екип събра панел от 493 уникални образци, обхващащи географския ареал на разпространение на Aegilops tauschii от северозападна Турция до източен Китай1.
От този панел изследователите избраха 46 образци, отразяващи видовите черти и генетичното разнообразие, за да създадат пангеном – висококачествена генетична карта на Aegilops tauschii.
С помощта на тази карта те сканираха 80 000 ландраси от хлебна пшеница – местно адаптирани сортове, притежавани от CIMMYT и събрани от цял свят.
Тези данни показват, че около 75% от D-генома на хлебната пшеница произлиза от линията (L2) на Aegilops tauschii, която произхожда от южната част на Каспийско море. Останалите 25% от генетичния състав на пшеницата произлизат от родословия в целия ареал на разпространение на растението.
“Този 25% приток на генетичен материал от други линии е допринесъл и определил успеха на хлебната пшеница,” казва професор Саймън Кратингер, водещ автор на изследването.
“Без генетичната жизнеспособност, която носи това разнообразие, най-вероятно нямаше да ядем хляб в мащаба, който правим днес. В противен случай хлебната пшеница щеше да остане регионална култура – важна за Близкия изток, но едва ли щеше да стане глобално доминираща без тази пластичност, която позволи на хлебната пшеница да се адаптира.”
Предишно проучване на OWWC разкри съществуването на отделна линия на Aegilops tauschii, географски ограничена до днешна Грузия в района на Кавказ, на около 500 километра от Плодородния полумесец. Тази линия на Aegilops tauschii (L3) е важна, защото е осигурила на хлебната пшеница най-известния ген за качество на тестото.
В това проучване изследователите предполагат, че ако това е историческа интрогресия, подобна на неандерталския генетичен отпечатък в човешкия геном, те ще открият ландраси в колекциите на CIMMYT, които имат по-голям дял от него.
Анализът на данните показва, че пшеничните ландраси от CIMMYT, събрани от грузинския регион, съдържат 7% L3 интрогресии в генома, което е седем пъти повече от тези на ландрасите на хлебната пшеница, събрани от Плодородния полумесец.
“Използвахме образците L3 tauschii като модел, за да проследим хибридизациите, използвайки 80 000 ландраси от хлебна пшеница,” обяснява професор Кратингер.
“Данните ясно показват, че хлебната пшеница се е появила в южната част на Каспийско море и след това, чрез миграция и селскостопанска експанзия, е достигнала до Грузия. Там, чрез генен поток и хибридизации със специфичните, генетично различни и географски ограничени L3 образци, се е получил приток на нов генетичен материал.”
“Това е един от новите аспекти на нашето изследване и потвърждава, че с помощта на нашите нови ресурси можем да проследим динамиката на тези интрогресии в хлебната пшеница.”
В допълнение към разрешаването на тази вековна биологична мистерия, новият пангеном и зародишна плазма с отворен код на Aegilops tauschii, предоставени от OWWC, се използват от изследователи и животновъди по целия свят за откриване на нови гени за устойчивост на болести. Тези гени ще предпазят пшеничните култури от вековни селскостопански напасти като пшенична ръжда. Освен това, този вид дива трева може да бъде използван за устойчиви на климата гени, които могат да бъдат внедрени в елитни сортове пшеница.
Изследователи от Центъра Джон Инес работят в тясно сътрудничество с колеги от KAUST, използвайки биоинформационни подходи за проследяване на нивата на ДНК, допринесени за хлебната пшеница от L3 линията на Aegilops tauschii.
Професор Уауи заключава: “Изследването подчертава важността на поддържането на генетични ресурси като финансираното от BBSRC звено за ресурси за зародишна плазма тук в Центъра Джон Инес, което поддържа исторически колекции от диви треви. Тези колекции могат да се използват за отглеждане на ценни черти като устойчивост на болести и вредители в съвременната пшеница.”
