Что гены растений говорят о доместикации сельскохозяйственных культур
Генетические исследования показывают, что для превращения дикого растения в культурное часто требуется лишь несколько модификаций. Некоторые крупные фенотипические изменения могут быть достигнуты даже одной генетической мутацией. Искусственные эксперименты по доместикации демонстрируют возможность получить растение, похожее на культурное, менее чем за 20 поколений.
Этот взгляд, основанный на генетике, иногда вступает в противоречие с археоботаническими данными. Археологи, работающие с фрагментарными остатками древних растений (например, 10000-летнее семя тыквы из пещеры в Оахака, Мексика), утверждают, что доместикация, вероятно, была постепенным, географически рассредоточенным процессом проб и ошибок, длившимся долгое время.
Однако, как утверждается в обзоре в Trends in Plant Science, генетические данные не противоречат идее о том, что доместикация была постепенной, рассредоточенной и осторожной.
Синдром доместикации
Доместикацию растений можно рассматривать как двухэтапный процесс:
- Приобретение признаков «синдрома доместикации», делающих растение пригодным для возделывания (например, равномерное прорастание семян).
- Отбор на улучшение качеств (вкус, цвет, форма).
Для зерновых культур двумя ключевыми признаками синдрома являются:
- Потеря осыпаемости (shattering) — у диких растений способствует рассеиванию семян, но культурное растение должно удерживать семена до сбора урожая.
- Потеря покоя семян (seed dormancy) — у диких растений обеспечивает постепенное прорастание, но в сельском хозяйстве требуется одновременный посев и сбор.
Археологические данные показывают, что неосыпающиеся злаки появились постепенно, часто уже после увеличения размера зерна. Объяснение может быть в том, что полная потеря осыпаемости облегчает сбор, но сильно затрудняет обмолот. Поэтому отбор шёл на оптимальный баланс, что объясняет, почему рис до сих пор частично осыпается, в отличие от кукурузы.
Аналогично, полная потеря покоя семян у риса может привести к преждевременному прорастанию зерна на колосе (pre-harvest sprouting), снижая урожайность.
Более одного способа создать культурное растение
Метод Quantitative Trait Locus (QTL) mapping позволяет находить связи между фенотипическими признаками и конкретными участками генома. Он показывает, что важные признаки доместикации часто находятся под простым генетическим контролем, но при этом существует «много способов сделать растение культурным».
Например, генетический анализ показал, что ячмень, фасоль и азиатский рис были одомашнены более одного раза. Также выяснилось, что один и тот же признак (например, неосыпаемость) может контролироваться разными генами у разных одомашненных линий (как у ячменя).
Однако генетика не может рассказать всё. Геномы современных культур «молчат» о неудачных или заброшенных экспериментах по доместикации, информация о которых сохранилась только в археоботанических остатках.
Клейкий рис, ароматный рис и другие улучшения
Второй этап доместикации — улучшение и диверсификация уже одомашненного растения.
- Клейкий рис: Его липкость обусловлена мутацией в гене Waxy, которая блокирует выработку амилозы. В результате зерно заполнено разветвлённым и липким крахмалом — амилопектином.
- Ароматный рис (басмати, жасмин): Характерный запах при варке создаёт ароматическое соединение 2-ацетил-1-пирролин (2AP). Его выработка связана с геном BADH2. Хотя один вариант (аллель) этого гена наиболее распространён, аромат может возникать в результате различных мутаций в гене BADH2.