Клубнеплоды (слева) — это растения, похожие на картофель, которые не выращивают клубни, но растения картофеля (справа) эволюционировали для их выращивания.

Скромный современный картофель, впервые одомашненный около 10 000 лет назад, появился в Андах, прежде чем стать ключевой культурой, от которой зависит весь мир. Но поскольку растения плохо сохраняются в палеонтологической летописи, его происхождение по большей части остается загадкой.

Теперь команда биологов-эволюционистов и специалистов по геномике проследила происхождение этого крахмалистого продукта до случайной встречи миллионы лет назад с необычным родственником растения — помидором.

Исследователи проанализировали 450 геномов культурных и диких видов картофеля, и гены показали, что древний предок дикого томата естественным образом скрещивался с картофелеподобным растением под названием Etuberosum 9 миллионов лет назад — или скрещивался, поскольку оба растения первоначально отделились от общего предка около 14 миллионов лет назад. к исследованию, опубликованному в четверг в журнале Cell.

В то время как ни у томатов, ни у клубнеплодов не было возможности выращивать клубни — увеличенную съедобную часть одомашненных растений, таких как картофель, ямс и тарос, которые растут под землей, — у получившегося гибрида это получилось. Клубни появились как инновационный способ хранения питательных веществ под землей, поскольку климат и окружающая среда в Андах стали холоднее, и после культивирования стали основой рациона человека. В настоящее время существует более 100 видов дикорастущего картофеля, которые также выращивают клубни, хотя не все они съедобны, поскольку некоторые содержат токсины.

“Развитие клубня дало картофелю огромное преимущество в суровых условиях, способствовало появлению новых видов и богатому разнообразию картофеля, которое мы видим и на которое полагаемся сегодня”, — говорит соавтор исследования Санвен Хуан, президент Китайской академии тропических сельскохозяйственных наук и профессор Института сельскохозяйственной геномики в Шэньчжэне., Китайская академия сельскохозяйственных наук, говорится в заявлении. “Мы наконец-то разгадали тайну происхождения картофеля”.

Ученые также расшифровали, какие гены были заложены в каждом растении для образования клубней. Понимание того, как возник и эволюционировал картофель, в конечном итоге может помочь ученым вывести более выносливый картофель, устойчивый к болезням и меняющимся климатическим условиям.

Копаясь в непреходящей тайне спуда

Люди собирают картофель недалеко от Селендина, Перу.

Картофель, помидоры и клубнелуковицы — все они относятся к роду Solanum, который насчитывает около 1500 видов и является крупнейшим родом цветковых растений семейства пасленовых. На первый взгляд, растения картофеля выглядят почти идентично Etuberosum, что изначально навело ученых на мысль, что они были сестрами, произошедшими от общего предка, говорит соавтор исследования Цзяньцюань Лю, профессор колледжа экологии Университета Ланьчжоу в Ганьсу, Китай.

Клубнеплоды включают в себя всего три вида, и хотя цветки и листья у этих растений похожи на цветки и листья картофеля, они не образуют клубней.

“Этуберосумы — это нечто особенное”, — сказал CNN доктор Сэнди Нэпп, соавтор исследования и ботаник-исследователь из Музея естественной истории в Лондоне. — Это то, чего вы, вероятно, никогда бы не увидели, если бы не побывали на островах Хуан Фернандес, на островах Робинзона Крузо посреди Тихого океана или в чилийских тропических лесах Темпл”.

Но, по словам Кнаппа, изучение родословной картофеля, томатов и клубнеплодов выявило неожиданную особенность, которая, по-видимому, указывает на то, что картофель был более тесно связан с томатами на генетическом уровне.

По словам Лю, команда использовала филогенетический анализ — процесс, аналогичный определению у людей родства между родителями и дочерьми или сестрами на генетическом уровне, — чтобы определить взаимосвязи между различными растениями.

По словам Лю, анализ выявил противоречие: картофель может быть родственником клубнеплода или помидоров, в зависимости от различных генетических маркеров.

По словам Кнаппа, общий предок томатов и туберозумов, живший 14 миллионов лет, а также растения, которые произошли от него, больше не существуют и “затерялись в тумане геологического времени”. Вместо этого исследователи искали генетические маркеры в растениях, чтобы определить их происхождение.

“Мы используем сигнал, пришедший из прошлого, который все еще присутствует в растениях, которые мы имеем сегодня, чтобы попытаться реконструировать прошлое”, — сказал Кнапп.

По словам Кнаппа, чтобы отследить этот сигнал во времени, исследователи составили генетическую базу данных картофеля, в том числе изучили музейные образцы и даже извлекли данные о редком диком картофеле, который трудно найти, некоторые из них произрастают только в одной долине в Андах.

“Образцы дикорастущего картофеля очень трудно отобрать, поэтому этот набор данных представляет собой наиболее полную коллекцию геномных данных дикорастущего картофеля, когда-либо проанализированных”, — говорится в заявлении соавтора исследования Чжиян Чжана, научного сотрудника Института сельскохозяйственной геномики в Шэньчжэне при Китайской академии сельскохозяйственных наук.

Генетическая дорожная карта, составленная случайно

Помидоры привнесли ген, который сигнализировал о росте клубней у первых растений картофеля.

Исследование показало, что первый картофель и все последующие виды картофеля включали комбинацию генетического материала, полученного от клубнеплодов и томатов.

По словам Лю, климатические или геологические изменения, вероятно, привели к сосуществованию древнего рода Etuberosum и предка томатов в одном и том же месте.

«Учитывая, что оба вида опыляются пчелами, вероятным сценарием является то, что пчела перенесла пыльцу между двумя растениями и привела к появлению картофеля», — сказала Эми Чарковски, научный сотрудник декана Колледжа сельскохозяйственных наук Университета штата Колорадо. Чарковский не принимал участия в новом исследовании.

По словам Лю, томатная сторона обеспечивала “главный переключатель” гена SP6A, который сообщал картофелю о начале образования клубней, в то время как ген IT1, находящийся на стороне Etuberosum, контролировал рост подземных стеблей, которые формировали крахмалистые клубни. По мнению исследователей, если бы какой-либо из генов отсутствовал или работал несогласованно, картофель никогда бы не сформировал клубни.

“Одна из вещей, которая происходит при гибридизации, заключается в том, что гены перемешиваются”, — сказал Кнапп. “Это похоже на повторную перетасовку колоды карт, и разные карты выпадают в разных комбинациях. И, к счастью, в этом конкретном случае гибридизации два вида генов объединились, что привело к образованию клубней, и это случайное событие”.

По словам Кнаппа, эволюция клубневого картофеля совпала со временем, когда горы Анд быстро поднимались из-за взаимодействия тектонических плит, что создало огромный хребет на западной стороне Южной Америки. Анды — это сложный горный хребет с многочисленными долинами и разнообразными экосистемами.

Современные помидоры любят сухую и жаркую среду, в то время как клубнеплоды предпочитают места с умеренным климатом. Но предок картофеля эволюционировал так, чтобы процветать в сухих и холодных высокогорных местообитаниях, которые возникли в Андах, и клубень обеспечивал ему максимальную выживаемость, говорит Кнапп. Картофель может размножаться без необходимости в семенах или опылении. Рост новых клубней приводит к появлению новых растений, которые могут процветать в различных условиях.

Создание зимостойкого картофеля на неопределенное будущее

Многие сорта картофеля являются эндемичными для Перу.

Согласно исследованию, выращиваемый картофель, который мы потребляем сегодня, является третьей по значимости сельскохозяйственной культурой в мире, а вместе с пшеницей, рисом и кукурузой обеспечивает 80% потребляемых человеком калорий.

Понимание истории происхождения картофеля может стать ключом к созданию новых сортов картофеля будущего; повторное внедрение ключевых генов томата может привести к быстрому размножению картофеля семенами, с чем Хуан и его команда из Китайской академии сельскохозяйственных наук экспериментируют.

По словам Кнаппа, современные сельскохозяйственные культуры сталкиваются с проблемами, связанными с изменением окружающей среды, климатическим кризисом и появлением новых вредителей и болезней.

Семенной картофель представляет интерес, поскольку он может быть более разнообразным с генетической точки зрения и устойчивым к болезням и другим сельскохозяйственным рискам. Вегетативное размножение картофеля — нарезка картофеля на кусочки и посадка их для получения урожая — приводит к получению генетически идентичного картофеля, который может быть уничтожен в случае появления новой болезни.

Изучение диких видов, которые столкнулись с такими проблемами и эволюционировали в ответ на них, также может иметь решающее значение, добавила она.

Лабораторию Чарковского интересует, как дикий картофель противостоит болезням и почему некоторые вредители и болезни растений поражают только картофель или помидоры.

“Помимо того, что методы, использованные в этом исследовании, помогают нам понять эволюцию картофеля и развитие клубней, они также могут помочь исследователям узнать о других характеристиках, таких как устойчивость к болезням и насекомым, питание, засухоустойчивость и многие другие важные особенности картофеля и томатов”, — сказал Чарковски.

По ее словам, картофель остается важной сельскохозяйственной культурой в засушливых регионах или районах с коротким летом и на больших высотах — местах, где другие основные культуры не произрастают.

По словам соавтора исследования доктора Тийны Сяркинен, эксперта по пасленовым из Королевского ботанического сада Эдинбурга, полученные результаты также показывают картофель в другом свете: это результат случайной встречи двух совершенно разных людей.

“На самом деле это довольно романтично”, — сказала она. “Происхождение многих наших видов — непростая история, и очень интересно, что теперь мы можем раскрыть это запутанное происхождение благодаря богатству геномных данных”.