Как интенсивное сельское хозяйство превратило дикорастущее растение в злостный сорняк

Новое исследование в журнале Science показывает, как развитие современного сельского хозяйства превратило аборигенное североамериканское растение — щирицу обыкновенную (common waterhemp) — в проблемный сельскохозяйственный сорняк.

Международная команда под руководством исследователей из Университета Британской Колумбии (UBC) сравнила 187 современных образцов щирицы с ферм и соседних водно-болотных угодий с более чем 100 историческими образцами, датируемыми вплоть до 1820 года, которые хранились в музеях Северной Америки. Изучение генома растения за последние два столетия позволило исследователям наблюдать эволюцию в действии в меняющихся условиях.

"Генетические варианты, которые помогают растению процветать в условиях современного сельского хозяйства, достигли высокой частоты поразительно быстро после интенсификации сельского хозяйства в 1960-х годах", — заявила первый автор, доктор Джулия Крейнер.

Исследователи обнаружили сотни генов в геноме сорняка, способствующие его успеху на фермах. Часто появлялись мутации в генах, связанных с засухоустойчивостью, быстрым ростом и устойчивостью к гербицидам. "Изменения, которые мы навязываем в агросреде, настолько сильны, что имеют последствия для соседних сред обитания, которые мы обычно считали естественными", — отметила доктор Крейнер.

Результаты могут помочь в сохранении природных территорий в ландшафтах, где доминирует сельское хозяйство. Сокращение потока генов с сельхозугодий и выбор более изолированных природных популяций для защиты может помочь ограничить эволюционное влияние ферм.

Щирица обыкновенная родом из Северной Америки и не всегда была проблемным растением. Однако в последние годы сорняк стал почти неистребимым на фермах благодаря генетическим адаптациям, включая устойчивость к гербицидам.

"В то время как щирица обычно растет возле озер и ручьев, наблюдаемые нами генетические сдвиги позволяют растению выживать на более сухой земле и быстро расти, чтобы обогнать сельскохозяйственные культуры", — сказала соавтор доктор Сара Отто. "Щирица, по сути, эволюционировала, чтобы стать более сорной, учитывая, насколько сильно она была отобрана для процветания вместе с человеческой сельскохозяйственной деятельностью".

Примечательно, что пять из семи мутаций устойчивости к гербицидам, обнаруженных в современных образцах, отсутствовали в исторических образцах. "Современные фермы накладывают сильный фильтр, определяющий, какие виды растений и мутации могут сохраняться с течением времени", — сказала доктор Крейнер. "При секвенировании генов растения гербициды выделились как один из самых сильных сельскохозяйственных фильтров".

Щирица, несущая любую из семи устойчивых к гербицидам мутаций, производила в среднем в 1.2 раза больше выживающего потомства в год с 1960 года по сравнению с растениями без этих мутаций.

Мутации устойчивости к гербицидам также были обнаружены в естественных местообитаниях, хотя и с меньшей частотой. "В отсутствие применения гербицидов устойчивость может быть затратной для растения, поэтому изменения, происходящие на фермах, влияют на приспособленность растения в дикой природе", — пояснила доктор Крейнер.

Сельскохозяйственная практика также изменила географическое распределение генетических вариантов. За последние 60 лет сорная юго-западная разновидность все больше продвигалась на восток Северной Америки, распространяя свои гены в местные популяции благодаря своему конкурентному преимуществу в агросреде.

"Эти результаты подчеркивают огромный потенциал изучения исторических геномов для понимания адаптации растений в короткие сроки", — говорит соавтор доктор Стивен Райт. "Расширение этого исследования на другие масштабы и виды расширит наше понимание того, как сельское хозяйство и изменение климата вызывают быструю эволюцию растений".

"Понимание судьбы этих вариантов и того, как они влияют на растения в 'диких' популяциях за пределами ферм, является важным следующим шагом в нашей работе", — отметил соавтор профессор Джон Стинчкомб.