Интригующий вопрос.Пока что мало копий Земли, но случаи параллельной эволюции (одна и та же черта, независимо развивающаяся в родственных линиях) позволяет ученым задавать одни и те же вопросы.Одним из прекрасных примеров параллельной эволюции является двойное одомашнивание риса в Африке и Азии, за которым последовало его двойное «де-одомашнивание», или возвращение к дикой форме, и все это в течение примерно 10 000 лет с тех пор, как охотники-собиратели поселились. фермеры.С помощью современных генетических технологий и ресурсов Международного банка генов риса, который содержит более 112 000 различных видов риса, биолог-эволюционист Кеннет Олсен, доктор философии, доцент кафедры биологии в области искусств Наук из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, смог оглянуться назад во времени и спросить, лежат ли одни и те же мутации в возникновении одних и тех же признаков как у культивируемого, так и у сорного риса.
Его последние открытия, в которых подробно рассматривается генетика окраски корпуса, опубликованы 17 июля 2013 года в онлайн-выпуске журнала Journal of Evolutionary Biology.Ответы интересны сами по себе, но также имеют практическое значение, потому что современное сельское хозяйство радикально меняет давление отбора, действующее на рис, наиболее важную продовольственную культуру для большинства населения мира.
В ответ на это давление сорные формы, которые произошли от форм сельскохозяйственных культур, приобретают черты, больше похожие на черты диких предков. «Это очень агрессивные конкуренты, — говорит Олсен, — и они стали огромной проблемой как здесь, в США, так и во всем мире».«В некоторых частях мира фермеры отказались от попыток выращивать рис и просто продают сорняки, которые заселили поля, как здоровую пищу», — говорит он. Он говорит, что иногда в магазинах можно увидеть красный рис из Камарга, района дельты на юге Франции. «Красный рис полон антиоксидантов, которые, как правило, также являются химическими веществами для защиты растений, — говорит Олсен, — но в основном это сорняк».
Двойное одомашниваниеВо всем мире большая часть культивируемого риса — это азиатский рис Oryza sativa, выведенный из его дикого предка Oryza rufipogon в южной Азии в течение последних 10 000 лет.
Вопрос о том, представляют ли знакомые подвиды индийского риса индийского и японского риса также независимые одомашнивания, является спорным. По словам Олсена, большая часть риса, выращиваемого в США, — это японский рис, который генетически сильно отличается от риса индики, риса, выращиваемого во многих тропиках.
В любом случае произошло второе недвусмысленное одомашнивание около 3500 лет назад, когда африканский культивированный рис (O. glaberrima) был выведен из африканского дикого вида O. barthii в дельте реки Нигер.
По словам Олсена, теперь ученые могут изучить генетическую основу как азиатской, так и африканской одомашнивания. В некотором смысле это похоже на возможность вернуться, чтобы проверить отпечатки пальцев ДНК на месте преступления, совершенного задолго до того, как тестирование ДНК впервые стало доступным.
Когда растение одомашнивают, оно приобретает набор признаков, называемых синдромом одомашнивания, который упрощает выращивание в качестве культуры. У риса синдром включает потерю рассыпания (семена не отламывают центральный стебель зерна перед сбором урожая), увеличение размера семян и потерю состояния покоя (все семена прорастают сразу, и их можно собирать сразу).Лежат ли одни и те же генетические мутации в основе появления этих признаков как в азиатских, так и в африканских событиях одомашнивания, или одомашнивание было результатом разных мутаций в одних и тех же генах, или даже в результате мутаций в разных генах?
В серии статей в Journal of Evolutionary Biology и других журналах Олсен, постдокторант Синди Вигейра и их коллеги показали, что разные мутации одних и тех же генов лежат в основе потери расслоения, а корпуса соломенного цвета и белые зерна культивируемый рис как в Азии, так и в Африке.Таким образом, выращиваемый в Азии и Африке рис «сломался» примерно в одних и тех же местах под давлением со стороны первых фермеров.Двойное обезвреживание
Подобно одомашниванию, де-одомашниванию или эволюции сельскохозяйственных культур невкусных сорных видов, которые обладают многими дикими чертами, также, похоже, происходило дважды. Один сорный сорт напоминает азиатский сорт риса, выращиваемый только в небольшой части индийского субконтинента, а другой сорт напоминает рис, выращенный в тропиках.Поскольку сорные формы тесно связаны с сортами риса, которые никогда не выращивались в США, они, вероятно, попали в качестве загрязнителей в запасы зерна из Азии, а не произошли непосредственно от выращиваемых здесь тропических культур японской.
Вопрос, по словам Олсена, заключается в том, вернулись ли культуры к диким формам, обращая вспять генетические изменения, приведшие к их одомашниванию, или через мутации, которые обошли одомашнивание другими способами.На генетическом уровне история сорных форм оказывается более запутанной, чем у сельскохозяйственных культур.Например, сорняки несут в себе форму гена потери рассыпания, что означает, что они отделились от посевов через некоторое время после того, как люди были отобраны для потери рассыпания.
Он говорит, что сорняки разрушаются, но они заново развили эту способность каким-то другим, пока неизвестным путем.Сорняки воруют гены сельскохозяйственных культурПо словам Олсена, наиболее важной частью этой истории является то, что генетические истории сельскохозяйственных культур и сорняков тесно взаимосвязаны. Это означает, что сорные формы могут использовать как наследственные гены, так и гены сельскохозяйственных культур, поскольку они реагируют на давление отбора в современном сельском хозяйстве.
По его словам, несмотря на то, что оба сорных штамма возникли в Азии, засоренный рис стал проблемой в Юго-Восточной Азии только в последние несколько десятилетий. Причина в том, что рассада риса традиционно выращивалась на рисовых полях, а затем вручную пересаживалась на поля. Работая на полях, фермеры распознавали растущие там сорняки и вытаскивали их.
Но на промышленных фермах рис проращивают прямо в поле, поэтому нет возможности удалить сорняки. Поскольку сеянцы сорного и культурного риса похожи друг на друга, фермеры часто не осознают, что у них есть проблема, пока поле действительно не заражено.
По словам Олсена, заражение сорняками может снизить урожайность на 80 процентов. Если поле сильно заражено, единственный выход фермера — его бросить.По словам Олсена, в США с сорным рисом все чаще борются за счет выращивания устойчивых к гербицидам сортов сельскохозяйственных культур.
В последние годы более трети рисовых полей в США засеяно устойчивым к гербицидам рисом.Но это оказывает огромное давление на сорняки, чтобы они всеми правдами и неправдами приобрели устойчивость к гербицидам.
Олсен говорит, что механизм устойчивости растений к гербицидам довольно прост. По сути, это изменение одной аминокислоты в определенном гене, хотя новые разновидности становятся немного интереснее и могут быть задействованы несколько генов. Таким образом, случайным мутациям было бы довольно легко придать устойчивость сорнякам.
Другая возможность заключается в том, что гены устойчивости будут мигрировать от сельскохозяйственных культур к сорнякам. По словам Олсена, поскольку как культивируемый, так и сорный рис склонны к самооплодотворению, в рисе в целом не наблюдалось большого потока генов.Но урожай и сорняки — которые, в конце концов, являются одними и теми же видами — могут легко гибридизоваться сейчас, когда давление отбора способствует потоку генов.
«Мы уже видим, что происходит все больше и больше гибридизации», — говорит Олсен. «Это изменит общий состав сорняков на рисовых полях в США и, предположительно, в других странах мира».
