Сорный рис, генетически отличный от дикого и культурного, приспособлен к скрытой жизни на полях
Новое исследование в выпуске Nature Genetics от 3 апреля раскрывает глубокую историю «семьи» азиатского риса (Oryza sativa), включая его нежелательных родственников — сорные формы.
Сорный рис — это не дикий и не культурный рис, а бывший домашний рис, утративший некоторые важные для человека признаки. Приспособленный к условиям сельского хозяйства, он не растёт за пределами полей, но при этом плохо поддаётся уборке и даёт невкусные семена.
Потери урожая культурного риса из-за этих сорняков в мире могут достигать 90%. Даже в США сорный рис присутствует на 30% рисовых полей, приводя к потерям более $50 млн ежегодно.
В США существуют две основные линии сорного риса: strawhull и blackhull awned (имеющие длинные остей). Поскольку они эволюционировали независимо, это даёт возможность изучить генетическую основу «сорности» и понять, всегда ли она возникает по одному механизму.
Учёные из Китая и США (включая Вашингтонский университет) секвенировали геномы 18 сорняков strawhull и 20 blackhull и сравнили их с 145 ранее опубликованными геномами культурных и диких сортов риса.
Анализ показал:
- Две линии сорняков произошли от разных культурных сортов.
- Они эволюционировали на разных этапах процесса доместикации.
- Генетическая основа сорности различается между линиями.
- В обоих случаях для превращения культурного растения в сорняк потребовалось относительно немного изменений.
«Эволюционировать в сорняк легко, и это происходило неоднократно», — отметил ведущий автор Кеннет Олсен.
Механизация и скрытая угроза
Эволюция сорных родственников культурных растений — недооценённая часть процесса доместикации. При ручной посадке сорные всходы отбраковывались. Однако переход к механизированному прямому посеву изменил ситуацию: сорняки, внешне похожие на культуру, остаются незамеченными до серьёзного заражения.
Ключевые сорные признаки:
- Сильное осыпание семян — реэмергенция признака, против которого отбирали при доместикации, для облегчения сбора урожая.
- Продолжительный покой семян — реэмергенция признака, также нежелательного при одомашнивании.
Комбинация осыпания и долгого покоя создаёт в полях резервуар семян сорняков, которые всходят год за годом и вытесняют культуру.
Глубокая история риса
Генетический анализ показал, что две линии сорняков произошли от разных сортов риса: indica и aus, одомашненных в разных частях Азии. Основной рис, выращиваемый в США, — это третий сорт, japonica. Сорные линии, вероятно, были занесены в США как примесь в семенном материале.
Обе линии эволюционировали после доместикации риса, но на разных этапах:
- Blackhull отделился от aus раньше, до стадии «улучшения» сорта.
- Strawhull отделился от indica позже, уже после стадии улучшения.
Обе линии сорняков имеют культурные варианты трёх ключевых генов доместикации. Однако только strawhull обладает генами большинства признаков «улучшения».
Де-доместикация
Учёные сравнили геномы сорных форм с геномами их предполагаемых культурных предков, ища «сигнатуры отбора» — свидетельства благоприятных мутаций.
Они обнаружили, что эти сигнатуры соответствуют регионам генома, контролирующим сорные признаки, но не затронутым доместикацией. Например, все сорные рисы имеют мутацию sh4, характерную для неосыпающихся культурных форм. Однако восемь других генетических регионов связаны с повторным приобретением осыпания у сорняков.
Причём большинство генов адаптации к сорности сгруппированы в геномные островки, а не распределены случайно. Эти островки различаются у двух типов сорняков.
«Превращение культуры в сорняк не требует многих генетических изменений и может происходить через разные генетические механизмы», — заключил Олсен. — «Следует помнить о кажущейся лёгкости, с которой эти сельскохозяйственные сорняки неоднократно эволюционировали, по мере перехода к механизированным практикам, способствующим их успеху».