Śledzenie wpływu dawno zaginionego krewnego na współczesną pszenicę chlebową
Genetyczna praca detektywistyczna odkryła nieznanego przodka współczesnej pszenicy chlebowej, podobnie jak odkrycie słynnego dawno zaginionego krewnego poprzez analizę DNA u ludzi.
W badaniu opublikowanym w Nature Biotechnology naukowcy zsekwencjonowali DNA z 242 unikalnych połączeń Aegilops tauschii zebrane przez dziesięciolecia z całego swojego rodzimego zasięgu — od Turcji po Azję Środkową.
Analiza genomu populacji prowadzona przez dr Kumara Gaurava z John Innes Center wykazała istnienie odrębnej linii rodowejAegilops tauschii ograniczone do dzisiejszej Gruzji, w regionie Kaukazu – około 500 kilometrów od Żyznego Półksiężyca, gdzie po raz pierwszy uprawiano pszenicę – obszar rozciągający się na terenie dzisiejszego Iraku, Syrii, Libanu, Palestyny, Izraela, Jordanii i Egiptu.
Pierwszy autor badania w Nature Biotechnology Dr Kumar Gaurav powiedział:„Odkrycie tego nieznanego wcześniej wkładu w genom pszenicy chlebowej jest podobne do odkrycia introgresji DNA neandertalczyka w ludzki genom poza Afrykę.
Naukowcy podczas wyprawy na polowanie na dziką pszenicę w środkowych górach Zagros w zachodnim Iranie. Źródło:Ali Mehrabi
„Najprawdopodobniej doszło do hybrydyzacji poza Żyznym Półksiężycem. Ta grupa gruzińskich wstąpień tworzy odrębną linię, która przyczyniła się do powstania genomu pszenicy poprzez pozostawienie śladu w DNA”.
Odkrycie odbywa się w ramach szeroko zakrojonej międzynarodowej współpracy mającej na celu poprawę upraw poprzez badanie przydatnej różnorodności genetycznej u Aegilops tauschii, dziki krewny pszenicy chlebowej. Otwarte konsorcjum dzikiej pszenicy zgromadziło 38 grup badawczych i badaczy z 17 krajów.
Dalsze badania przeprowadzone przez grupę dr Jesse Poland z Kansas State University zostały opublikowane w artykule towarzyszącym w Communications Biology i pokazuje, że przodek Aegilops tauschii DNA znajdujące się w nowoczesnej pszenicy chlebowej zawiera gen, który nadaje cieście większą wytrzymałość i elastyczność.
Dr Polska powiedział:„Byliśmy zdumieni, gdy odkryliśmy, że ta linia genetyczna dostarczyła najbardziej znany gen najwyższej jakości ciasta”.
Naukowcy spekulują, że nowo odkryty rodowód mógł być w przeszłości bardziej rozprzestrzeniony geograficznie i mógł zostać oddzielony jako populacja refugium podczas ostatniej epoki lodowcowej.
Zastanawiając się nad wszystkim, co zebrało się razem, aby ta praca była możliwa, dr Brande Wulff, korespondent autor badania, zauważył:„Pięćdziesiąt lub sześćdziesiąt lat temu, kiedy ledwie rozumieliśmy DNA, moi przodkowie naukowi przemierzali góry Zagros na Bliski Wschód oraz Syria i Irak. Zbierali nasiona, być może mając przeczucie, że pewnego dnia można je wykorzystać do ulepszenia pszenicy. Teraz jesteśmy tak blisko uwolnienia tego potencjału, co jest dla mnie niezwykle ekscytujące”.
Rozszyfrowanie złożonego genomu pszenicy
Współczesna „heksaploidalna” pszenica to złożona kombinacja genetyczna różnych traw z ogromnym kodem genetycznym, podzielona na subgenomy A, B i D. Pszenica heksaploidalna stanowi 95 procent całej uprawianej pszenicy. Heksaploid oznacza, że DNA zawiera sześć zestawów chromosomów — po trzy pary każdego.
Dzięki połączeniu naturalnych hybrydyzacji i ludzkiej hodowli Aegilops tauschii dostarczył genom D nowoczesnej pszenicy. Genom D dodał właściwości do robienia ciasta i umożliwił rozkwit pszenicy chlebowej w różnych klimatach i glebach.
Pochodzenie współczesnej heksaploidalnej pszenicy chlebowej było od dawna przedmiotem intensywnych badań, a dowody archeologiczne i genetyczne sugerują, że pierwsza pszenica była uprawiana 10 000 lat temu na Żyznym Półksiężycu.
Udomowienie, choć zwiększało plony i zwiększało wydajność agronomiczną, odbywało się kosztem wyraźnego wąskiego gardła genetycznego erozji różnorodności genetycznej cech ochronnych występujących u Aegilops tauschii takich jak odporność na choroby i tolerancja na ciepło.
Analiza przeprowadzona przez dr Gaurava i zespół badawczy wykazała, że zaledwie 25% różnorodności genetycznej obecnej w Aegilops tauschii przerobił go na heksaploidalną pszenicę. Aby zbadać tę różnorodność w dzikiej puli genów, wykorzystali technikę zwaną mapowaniem asocjacyjnym, aby odkryć nowe geny kandydujące do odporności na choroby i szkodniki, plonów i odporności na środowisko.
Dr Sanu Arora, który wcześniej prowadził badanie nad klonowaniem genów odporności na choroby z Aegilops tauschii powiedział:„Wcześniej byliśmy ograniczeni do badania bardzo małego podzbioru genomu pod kątem odporności na choroby, ale w bieżącym badaniu wygenerowaliśmy dane i techniki, aby podjąć bezstronną eksplorację różnorodności gatunkowej”.
Dalsze eksperymenty wykazały transfer genów kandydujących dla podzbioru tych cech do pszenicy przy użyciu transformacji genetycznej i konwencjonalnego krzyżowania — wspomaganego przez bibliotekę syntetycznej pszenicy — specjalnie wyhodowanego materiału, który zawiera Aegilops tauschii genomy.
Ta publicznie dostępna biblioteka syntetycznych pszenicy zawiera 70 procent różnorodności występującej we wszystkich trzech znanych Aegilops tauschii rodowody, umożliwiając naukowcom szybką ocenę cech na tle heksaploidalnej pszenicy.
„Nasze badanie zapewnia kompleksową ścieżkę do szybkiej i systematycznej eksploracji Aegilops tauschii pula genów do ulepszania nowoczesnej pszenicy chlebowej”, mówi dr Wulff.
„Różnorodność genów gluteniny o wysokiej masie cząsteczkowej u Aegilops tauschii wykazuje wyjątkowe pochodzenie najwyższej jakości pszenicy” – pojawia się w Communications Biology .
Odniesienie:„Analiza genomiczna populacji Aegilops tauschii identyfikuje cele poprawy jakości pszenicy chlebowej” autorstwa Kumar Gaurav, Sanu Arora, Paula Silva, Javier Sánchez-Martín, Richard Horsnell, Liangliang Gao, Gurcharn S. Brar, Victoria Widrig, W. John Raupp, Narinder Singh, Shuangye Wu, Sandip M. Kale, Catherine Chinoy, Paul Nicholson, Jesús Quiroz-Chávez, James Simmonds, Sadiye Hayta, Mark A. Smedley, Wendy Harwood, Suzannah Pearce, David Gilbert, Ngonidzashe Kangara, Catherine Gardener, Macarena Forner-Martínez, Jiaqian Liu, Guotai Yu Scott A. Boden, Attilio Pascucci, Sreya Ghosh, Amber N. Hafeez, Tom O'Hara, Joshua Waites, Jitender Cheema, Burkhard Steuernagel, Mehran Patpour, Annemarie Fejer Justesen, Shuyu Liu, Jackie C. Rudd, Raz Avronni, Amir Sharon , Barbara Steiner, Rizky Pasthika Kirana, Hermann Buerstmayr, Ali A. Mehrabi, Firuza Y. Nasyrova, Noam Chayut, Oadi Matny, Brian J. Steffenson, Nitika Sandhu, Parveen Chhuneja, Evans Lagudah, Ahmed F. Elkot, Simond Tyongrrell, Bian, Robert P. Davey, Martin Simonsen, Leif Schauser, Vijay K. Ti wari, H. Randy Kutcher, Pierre Hucl, Aili Li, Deng-Cai Liu, Long Mao, Steven Xu, Gina Brown-Guedira, Justin Faris, Jan Dvorak, Ming-Cheng Luo, Ksenia Krasileva, Thomas Lux, Susanne Artmeier, Klaus F. X. Mayer, Cristobal Uauy, Martin Mascher, Alison R. Bentley, Beat Keller, Jesse Polska i Brande B. H. Wulff, 1 listopada 2021 r., Nature Biotechnology .
DOI:10.1038/s41587-021-01058-4
