Spåra inverkan av en sedan länge förlorad släkting på modernt brödvete
Genetiskt detektivarbete har avslöjat en obskyr förfader till modernt brödvete, i ett fynd som liknar att avslöja en berömd sedan länge förlorad släkting genom DNA-analys hos människor.
I en studie som visas i Nature Biotechnology forskare sekvenserade DNA från 242 unika accessioner av Aegilops tauschii samlat under decennier från hela sitt hemland – från Turkiet till Centralasien.
Populationsgenomanalys ledd av Dr Kumar Gaurav från John Innes Center avslöjade förekomsten av en distinkt härstamning av Aegilops tauschii begränsat till dagens Georgien, i Caucuses-regionen – cirka 500 kilometer från den bördiga halvmånen där vete först odlades – ett område som sträcker sig över dagens Irak, Syrien, Libanon, Palestina, Israel, Jordanien och Egypten.
Första författare till studien i Nature Biotechnology, Dr. Kumar Gaurav sa:"Upptäckten av detta tidigare okända bidrag till brödvetegenomet liknar upptäckten av introgression av neandertal-DNA i det mänskliga genomet utanför Afrika."
Forskare på en vildvetesläkting som söker föda i de centrala Zagrosbergen i västra Iran. Kredit:Ali Mehrabi
"Det är mest sannolikt att det har skett genom en hybridisering utanför den fertila halvmånen. Denna grupp av georgiska tillträden bildar en distinkt härstamning som bidrog till vetets genom genom att lämna ett fotavtryck i DNA:t.”
Upptäckten kommer via ett stort internationellt samarbete för att förbättra grödor genom att utforska användbar genetisk mångfald i Aegilops tauschii, en vild släkting till brödvete. Open Wild Wheat Consortium samlade 38 forskargrupper och forskare från 17 länder.
Ytterligare forskning av Dr. Jesse Polands grupp vid Kansas State University publicerades i en kompletterande artikel i Communications Biology och visar att förfädernas Aegilops tauschii DNA som finns i modernt brödvete inkluderar genen som ger degen överlägsen styrka och elasticitet.
Dr. Polen sa:"Vi blev förvånade över att upptäcka att denna härstamning har tillhandahållit den mest kända genen för överlägsen degkvalitet."
Forskarna spekulerar i att den nyupptäckta härstamningen kan ha varit mer geografiskt utbredd tidigare, och att den kan ha blivit separerad som en refugiumpopulation under den senaste istiden.
Dr Brande Wulff, motsvarande författare till studien, reflekterade över allt som har samlats för att göra det här arbetet möjligt, "för femtio eller sextio år sedan, vid en tid då vi knappt förstod DNA, korsade mina vetenskapliga förfäder Zagrosbergen i Mellanöstern och Syrien och Irak. De samlade frön och hade kanske en aning om att de en dag skulle kunna användas för att förbättra vete. Nu är vi så nära att frigöra den potentialen, och för mig är det utomordentligt spännande.”
Dechiffrera Wheats komplexa genom
Modernt "hexaploid" vete är en komplex genetisk kombination av olika gräs med en enorm genetisk kod, uppdelad i A-, B- och D-subgenom. Hexaploid vete står för 95 procent av allt odlat vete. Hexaploid betyder att DNA:t innehåller sex uppsättningar kromosomer — tre par av varje.
Genom en kombination av naturliga hybridiseringar och mänsklig odling, Aegilops tauschii gav D-genomet till modernt vete. D-genomet lade till egenskaperna för att göra deg, och gjorde att brödvete kunde blomstra i olika klimat och jordar.
Ursprunget till modernt hexaploid brödvete har länge varit föremål för intensiv granskning med arkeologiska och genetiska bevis som tyder på att det första vetet odlades för 10 000 år sedan i den bördiga halvmånen.
Domesticering, samtidigt som den ökade avkastningen och ökade agronomiska prestanda, kom på bekostnad av en uttalad genetisk flaskhals som urholkar den genetiska mångfalden för skyddande egenskaper som finns i Aegilops tauschii såsom sjukdomsresistens och värmetolerans.
Analyser utförda av Dr. Gaurav och forskargruppen visade att bara 25 % av den genetiska mångfalden finns i Aegilops tauschii gjorde det till hexaploid vete. För att utforska denna mångfald i den vilda genpoolen använde de en teknik som kallas associationskartläggning för att upptäcka nya kandidatgener för sjukdoms- och skadedjursresistens, avkastning och miljömässig motståndskraft.
Dr Sanu Arora, som tidigare hade lett en studie för att klona sjukdomsresistensgener från Aegilops tauschii sade, "Tidigare var vi begränsade till att utforska en mycket liten delmängd av genomet för sjukdomsresistens, men i den aktuella studien har vi genererat data och tekniker för att genomföra en opartisk utforskning av arternas mångfald."
Ytterligare experiment visade överföringen av kandidatgener för en delmängd av dessa egenskaper till vete med hjälp av genetisk transformation och konventionell korsning - underlättat av ett bibliotek av syntetiska vete - speciellt förädlat material som innehåller Aegilops tauschii genom.
Detta allmänt tillgängliga bibliotek av syntetiska vete fångar 70 procent av mångfalden som finns i alla tre kända Aegilops tauschii härstamningar, vilket gör det möjligt för forskare att snabbt bedöma egenskaper i en bakgrund av hexaploida vete.
"Vår studie ger en komplett pipeline för snabb och systematisk utforskning av Aegilops tauschii genpool för att förbättra modernt brödvete”, säger Dr Wulff.
"Mångfald av gluteningen med hög molekylvikt i Aegilops tauschii visar ett unikt ursprung av överlägsen vetekvalitet", står det i Communications Biology .
Referens:"Populationsgenomisk analys av Aegilops tauschii identifierar mål för förbättring av brödvete” av 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 Avni, 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, Simon Tyrrell, Xingdong 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 Poland och Brande B. H. Wulff, 1 november 2021, Nature Biotechnology .
DOI:10.1038/s41587-021-01058-4
