Рис вышел из-под контроля: как люди невольно отбирали «сорный» рис

Исследователи из Университета Массачусетса в Амхерсте обнаружили, что анатомическая адаптация, помогающая сорным разновидностям риса распространяться, не ограничивается только этими вредителями, как считалось ранее. Исследование, опубликованное в Journal of Experimental Botany, показывает, что, несмотря на 10 000 лет культивирования человеком, ткань клеток, позволяющая растениям риса легко сбрасывать семена, сохраняется почти во всех возделываемых сортах, хотя и в меньшей степени и с большими вариациями.

Продолжающееся распространение сорного риса, вредителя на возделываемых полях, указывает на то, что способ культивации риса невольно также отбирает «сорное» поведение. Это особенно подтверждается тем, что культурный рис постоянно одичаетвает, превращаясь в сорные разновидности.

«Биологи рассказывали себе одну и ту же историю о том, как происходило одомашнивание риса», — говорит Ана Кайседо, профессор биологии и старший автор статьи. Однако при детальном изучении широкого спектра сортов оказалось, что эта история слишком упрощена и скрывает реальную картину.

История начинается задолго до появления людей, когда дикий предок культурного риса развил способность к «осыпанию» — легкому сбрасыванию и распространению семян. Эта эволюционно выгодная стратегия стала возможной благодаря формированию «зоны абсциссии» — особой ткани у основания каждого зерна, соединяющей его с растением.

Для диких растений осыпание полезно, но для сбора урожая это недостаток, так как большая часть семян теряется. На протяжении тысячелетий люди отбирали сорта риса, которые крепче держат зерно, и долгое время считалось, что зона абсциссии и осыпание были выведены из культурного риса.

Однако культурный рис также эволюционировал в сорные разновидности, которые осыпаются и настолько успешны, что являются одним из главных факторов, ограничивающих производство риса в мире. Сорный рис — это множество разных групп, которые одичали независимо от различных культурных сортов.

«Зона абсциссии давно признана ключевым фактором осыпания риса, но её не изучали тщательно», — отмечает Сян Ли, соавтор исследования. «Нам нужно было изучить больше образцов, чтобы раскрыть закономерности этой ткани у разных сортов. Это анатомическое исследование улучшит наше понимание эволюции риса».

Команда, включая соавтора Дэниела Лоуи, собрала микроскопические изображения 86 образцов из пяти основных групп культурного риса, а также одичавшего сорного риса из разных регионов: Пиренейского полуострова, Южной Азии, Северо-Восточной Азии и США.

Они обнаружили, что хотя одна группа культурного риса, temperate japonica, почти полностью потеряла зону абсциссии, большинство других групп сохранили её в той или иной степени. Но между этими зонами были различия.

«Визуально мы видели явные различия, но нельзя было полагаться только на восприятие», — объясняет Лоуи. «Чтобы оцифровать наблюдения, мы разработали три новых количественных показателя для оценки наиболее интересных аспектов зоны абсциссии».

Команда также обнаружила, что относительная длина зоны абсциссии — а не просто её наличие или отсутствие — была переменной, которая лучше всего предсказывала, какие сорта легко осыпаются, а какие более устойчивы. У культурных групп длина зоны абсциссии сильно варьировалась, что приводило к разной степени потери осыпаемости. При этом все сорные разновидности, независимо от происхождения, имели более длинную зону.

«Это говорит нам о том, что каждый раз, когда эволюционирует сорный рис, он "выбирает" длинную зону абсциссии как лучшую репродуктивную адаптацию», — говорит Кайседо. И наоборот, каждый раз при одомашнивании сортов риса их зоны абсциссии изменялись по-разному, что приводило к разной степени потери осыпаемости.

Тот факт, что множество независимо эволюционировавших групп сорного риса сошлись на одной адаптации — длинной зоне абсциссии и лёгком осыпании — несмотря на 10 000 лет человеческих усилий по сохранению одомашненной, неосыпающейся формы, означает, что в способе управления рисовыми полями есть что-то, что невольно отбирает именно эти два признака. Это также предполагает, что высокая степень осыпания достигается только через длинную зону абсциссии.

Это означает, что наше понимание долгой истории взаимоотношений человека и риса нуждается в обновлении. Ранее учёные полагали, что культурный рис потерял зону абсциссии и что степень шероховатости основания зерна может указывать на её наличие и, следовательно, на то, осыпалось ли это зерно.

Однако, как говорит Кайседо, «нельзя просто посмотреть на поверхность рисового зерна, будь то современный образец или археологическая находка возрастом в тысячи лет, и определить, было ли оно культурным или осыпалось, потому что почти у всех них есть некоторая степень формирования зоны абсциссии».

Ли добавляет: «Захватывающий аспект нашего исследования в том, что оно закладывает основу для изучения лежащей в основе генетики. Теперь мы знаем, что нужно выяснить гены, контролирующие длину зон абсциссии у разных групп риса. Тогда мы сможем понять, когда и как все эти изменения возникли и как они сформировали историю одомашнивания и одичания риса».