Благодаря эксперименту, начатому еще до Великой депрессии, исследователи сумели точно определить гены, которые ответственны за удивительную адаптивность ячменя — ключевого ингредиента для производства пива и виски. Эти открытия могут сыграть решающую роль в обеспечении устойчивости урожая в условиях быстрого изменения климата.
Ячмень — одна из важнейших зерновых культур в мире, история которой насчитывает не менее 12 000 лет. Выращиваемый повсеместно, от Азии и Египта до Норвегии и гор Анд в Южной Америке, он стал неотъемлемой частью глобального сельского хозяйства.
Случайные изменения в ДНК ячменя позволили ему успешно адаптироваться к разным условиям, обеспечивая его выживание и распространение. Особенно это важно, когда речь идет о местах, где климат становится все более непредсказуемым, с высокими температурами, продолжительными периодами засухи и интенсивными штормами.
Ранняя селекция помогла ячменю адаптироваться к местным условиям, но современные технологии позволяют глубже понять и определить конкретные гены, влияющие на адаптивность.
"Селекционеры давно поняли необходимость выведения культур, которые были бы хорошо приспособлены к местным условиям. Поэтому столетие назад они начали эксперимент в Дэвисе, Калифорния, с сортами ячменя со всего мира, чтобы выявить те, которые лучше всего адаптированы к местным условиям", — пояснил Дэн Кениг, генетик Калифорнийского университета в Риверсайде.
Ранее у учёных не было возможности точно определить, какие именно гены помогают ячменю быть успешным и высокоурожайным в конкретных условиях. Однако благодаря современным методам анализа генетической информации можно изучить десятки миллионов генетических изменений в рамках одного эксперимента. Новый шаг в этом направлении описан в исследовании, опубликованном в журнале Science, где десятки генов, влияющих на адаптивность ячменя, были подробно рассмотрены.
Некоторые из этих генов оказывают влияние на репродуктивные процессы, помогая растению цвести в наиболее подходящие периоды сезона размножения.
"Слишком раннее или слишком позднее цветение означает, что растение не сможет дать семян", — объяснил Кениг. "Чтобы культуры давали максимальное количество семян, они должны цвести в очень узком временном интервале".
Выявить эти гены было непросто.
"Одна из проблем в понимании генетической адаптации заключается в том, что на её изучение могут потребоваться десятилетия, поскольку вы можете выращивать только одно поколение ячменя в год", — отметил Кениг.
Однако эксперимент Barley Composite Cross II, начатый в 1929 году в Дэвисе, Калифорния, стал настоящей находкой для учёных. Это один из старейших биологических экспериментов в мире, который позволил наблюдать процесс естественного отбора и адаптации на протяжении 58 сезонов.
Поле, засаженное в рамках этого эксперимента, за это время перешло от 15 000 генетически различных растений к единственной линии, доминирующей в 60% популяции — без какого-либо вмешательства со стороны человека.
"Мы были потрясены количеством изменений, произошедших за короткое эволюционное время", — подчеркнул Кениг. "Естественный отбор полностью изменил генетическое разнообразие во всём геноме всего за одну жизнь человека".
Группа Кенига планирует дальнейшие исследования, чтобы изучить долгосрочные экспериментальные данные в различных климатических условиях и понять, как могут регулироваться сроки цветения в зависимости от окружающей среды. Кроме того, они намерены более глубоко изучить интересное наблюдение: по мере адаптации к условиям Северной Калифорнии растения естественным образом увеличили урожайность почти вдвое. Однако этот прирост всё ещё меньше, чем достигается селекционерами при ручном отборе.
Это открытие особенно интересно, учитывая, что ячмень генетически схож с такими культурами, как пшеница, рис и кукуруза. Глубокое понимание того, как ячмень выживает и адаптируется в разнообразных условиях, может помочь в будущем обеспечить устойчивость и этих важных зерновых культур в экстремальных климатических условиях.
С использованием современных технологий, таких как геномная инженерия и CRISPR, исследователи смогут попытаться создать культуры, которые цветут в более благоприятное для них время, что повысит их урожайность и устойчивость.
"Способность ячменя адаптироваться послужила краеугольным камнем развития цивилизации. Понимание этого важно не только для продолжения производства алкогольных напитков, но и для нашей способности выращивать культуры будущего и повышать их устойчивость к изменяющимся условиям мира", — заключил Кениг.