Duże międzynarodowe badanie wyjaśniło, w jaki sposób pszenica chlebowa przyczyniła się do transformacji starożytnego świata i stała się kultową uprawą, która dziś przyczynia się do utrzymania populacji świata liczącej osiem miliardów ludzi.
„Nasze odkrycia rzucają nowe światło na ikoniczne wydarzenie w historii naszej cywilizacji, które stworzyło nowy rodzaj rolnictwa i pozwoliło ludziom osiedlić się i założyć społeczeństwa” – powiedział profesor Brande Wulff, badacz pszenicy w KAUST (Uniwersytet Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha) i jeden z głównych autorów badania, które ukazało się w czasopiśmie Nature.
Profesor Cristobal Uauy, lider grupy w John Innes Centre i jeden z autorów badania powiedział: „Ta praca pokazuje znaczenie globalnej współpracy i dzielenia się danymi i nasionami między krajami; możemy osiągnąć tak wiele, łącząc zasoby i wiedzę specjalistyczną między instytutami i ponad granicami międzynarodowymi”.
Według badań instytutów wchodzących w skład Open Wild Wheat Consortium (OWWC), sekret sukcesu pszenicy chlebowej leży w różnorodności genetycznej dzikiej trawy o nazwie Aegilops tauschii.
Pszenica chlebowa jest hybrydą trzech dzikich traw zawierającą trzy genomy (A, B i D) w obrębie jednej złożonej rośliny.
Aegilops tauschii, niepozorny chwast, dostarczył genomu D pszenicy chlebowej, gdy skrzyżował się z wczesną uprawą pszenicy makaronowej na Żyznym Półksiężycu około ośmiu do jedenastu tysięcy lat temu.
Przypadkowa hybrydyzacja na brzegach południowego Morza Kaspijskiego zapoczątkowała rewolucję rolniczą. Uprawa pszenicy chlebowej szybko rozprzestrzeniła się na szeroki zakres nowych klimatów i gleb, ponieważ rolnicy entuzjastycznie przyjęli tę dynamiczną nową uprawę, z jej wysoką zawartością glutenu, która tworzy bardziej przewiewne, elastyczne ciasto chlebowe.
Ten szybki postęp geograficzny wprawił w zakłopotanie badaczy pszenicy. Nie ma dzikiej pszenicy chlebowej: a wydarzenie hybrydyzacyjne, które dodało nowy genom D do istniejących genomów A i B pszenicy, stworzyło wąskie gardło genetyczne, w wyniku czego nowy gatunek miał znacznie zmniejszoną różnorodność genetyczną w porównaniu do otaczających go dzikich traw.
Ten efekt wąskiego gardła w połączeniu z faktem, że pszenica jest gatunkiem wsobnym – co oznacza, że jest samozapylająca – sugeruje, że pszenica chlebowa może mieć problemy poza swoimi korzeniami Żyznego Półksiężyca. Jak więc stała się dobrze rozpowszechniona i szeroko przyjęta w regionie?
Aby rozwiązać tę zagadkę, międzynarodowa współpraca stworzyła panel badawczy złożony z 493 unikalnych okazów obejmujących zasięg geograficzny Aegilops tauschii od północno-zachodniej Turcji po wschodnie Chiny.
Z tego panelu naukowcy wybrali 46 okazów odzwierciedlających cechy gatunku i różnorodność genetyczną, w celu stworzenia Pangenome, wysokiej jakości mapy genetycznej Aegilops tauschii.
Korzystając z tej mapy, zeskanowali 80 000 odmian lokalnych pszenicy chlebowej — odmian przystosowanych lokalnie — przechowywanych w CIMMYT i zebranych na całym świecie.
Dane te wykazały, że około 75% genomu D pszenicy chlebowej pochodzi z linii (L2) Aegilops tauschii, która pochodzi z południowego Morza Kaspijskiego. Pozostałe 25% jej składu genetycznego pochodzi z linii w całym jej zasięgu.
„Ten 25-procentowy napływ materiału genetycznego z innych linii tauschii przyczynił się i zdefiniował sukces pszenicy chlebowej” – powiedział profesor Simon Krattinger, główny autor badania.
„Bez genetycznej żywotności, jaką niesie ze sobą ta różnorodność, najprawdopodobniej nie jedlibyśmy chleba na taką skalę, jaką jemy dzisiaj. W przeciwnym razie pszenica chlebowa byłaby dziś uprawą regionalną — ważną dla Bliskiego Wschodu, ale wątpię, aby stała się globalnie dominująca bez tej plastyczności, która umożliwiła pszenicy chlebowej adaptację”.
Poprzednie badanie przeprowadzone przez OWWC ujawniło istnienie odrębnej linii Aegilops tauschii ograniczonej geograficznie do dzisiejszej Gruzji w regionie Kaukazu – 500 kilometrów od Żyznego Półksiężyca. Ta linia Aegilops tauschii (L3) jest znacząca, ponieważ dostarczyła pszenicy chlebowej najlepiej znany gen jakości ciasta.
W tym badaniu naukowcy postawili hipotezę, że jeśli byłaby to historyczna introgresja, podobna do genetycznego odcisku neandertalczyka w ludzkim genomie, to w zbiorach CIMMYT znaleźliby rasy lokalne, które miałyby większy odsetek takich śladów.
Analiza danych wykazała, że odmiany lokalne pszenicy CIMMYT zebrane z regionu Gruzji zawierały 7% introgresji L3 w genomie, czyli siedem razy więcej niż odmiany lokalne pszenicy chlebowej zebrane z Żyznego Półksiężyca.
„Wykorzystaliśmy okazy L3 tauschii jako królika doświadczalnego do śledzenia i monitorowania hybrydyzacji przy użyciu 80 000 lokalnych odmian pszenicy chlebowej” – powiedział profesor Krattinger.
„Dane pięknie potwierdzają obraz, w którym pszenica chlebowa pojawia się w południowej części Morza Kaspijskiego, a następnie wraz z migracją i ekspansją rolniczą dociera do Gruzji, a tutaj, wraz z przepływem genów i hybrydyzacjami z osobliwymi, genetycznie odrębnymi i geograficznie ograniczonymi akcesjami L3, następuje napływ nowego materiału genetycznego”.
„To jeden z nowych aspektów naszych badań i potwierdza, że wykorzystując nasze nowe zasoby, możemy prześledzić dynamikę tych introgresji w pszenicy chlebowej”.
Oprócz rozwiązania tej odwiecznej biologicznej zagadki, nowy Aegilops tauschii open source Pangenome i germplasm udostępnione przez OWWC są wykorzystywane przez badaczy i hodowców na całym świecie do odkrywania nowych genów odporności na choroby, które ochronią uprawy pszenicy przed odwiecznymi plagami rolniczymi, takimi jak rdza pszenicy. Mogą również wydobywać z tego gatunku dzikiej trawy geny odporne na zmiany klimatu, które można wyhodować w elitarnych odmianach pszenicy.
Naukowcy z John Innes Centre ściśle współpracowali z kolegami z KAUST, wykorzystując podejścia bioinformatyczne w celu śledzenia poziomów DNA wprowadzanego do pszenicy chlebowej przez linię L3 Aegilops tauschii.
Profesor Uauy podsumował: „Badanie podkreśla znaczenie utrzymania zasobów genetycznych, takich jak finansowana przez BBSRC Germplasm Resources Unit tutaj w John Innes Centre, która utrzymuje historyczne zbiory dzikich traw, które mogą być wykorzystane do wyhodowania cennych cech, takich jak odporność na choroby i szkodniki, w nowoczesnej pszenicy”.