Сорный рис — это не дикий рис и не культурный рис, а, скорее, ранее одомашненный рис, который потерял некоторые важные для людей черты. Приспособленный к няньке с людьми, он не растет за пределами сельскохозяйственных полей, но в то же время его нелегко собрать, и он дает невкусные семена.По словам Кеннета Олсена, профессора биологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе и ведущего автора статьи, в зависимости от того, где вы находитесь, снижение урожайности риса может достигать 90 процентов из-за этих сорняков. Даже в США засоренный рис, по оценкам, присутствует на 30% рисовых полей и приводит к ежегодным потерям урожая более чем на 50 миллионов долларов.
В США есть два основных сорта сорного риса: соломенный и черносоставный. (Ости — это длинные щетинки, которые придают некоторым травам волосатый вид). Поскольку два сорных штамма развивались независимо, они предоставляют идеальную возможность изучить генетические основы сорняков и, в частности, всегда ли они возникают через один и тот же генетический механизм.С этой целью группа ученых из Китая и США, в том числе Вашингтонского университета, секвенировала геномы 18 сорняков соломенной шелухи и 20 сорняков черной шелухи и сравнила их со 145 ранее опубликованными геномами сельскохозяйственных культур и диких сортов риса.
Анализ показал, что: два сорняка произошли от двух разных сортов сельскохозяйственных культур; они развивались на разных этапах процесса одомашнивания; и генетическая основа сорняков различается между штаммами. Также выяснилось, что в обоих случаях потребовалось относительно немного изменений, чтобы превратить культурное растение в сорняк.
Другими словами, рис имеет склонность к сорнякам. «Слабость легко развиться, и это происходило неоднократно», — сказал Олсен.Нет больше сутулого труда«Эволюция родственников сорных растений — это малоизвестная часть процесса одомашнивания», — продолжил Олсен. «До недавнего времени немногие из тех, кто изучал одомашнивание, много думали об этих сорняках-двойниках, которые просто оставались на обочине полей».
Когда рис сажают вручную, каждый саженец тщательно исследуют, а сорняки выбрасывают. Но переход на механизированное земледелие с прямым посевом изменило уравнение. «Сорные сородичи так похожи на урожай, они смешиваются, и фермеры не осознают, что у них есть проблема, пока они не столкнутся с настоящим заражением», — сказал Олсен.Один из наиболее заметных признаков сорняков — это сильно разрушающиеся семена. «Когда зерновые культуры были одомашнены, люди выбирали противодействие расслоению, потому что это облегчало сбор урожая, но если вы относитесь к сорным видам, вы хотите рассеивать семена. Таким образом, с сорными сортами происходит повторное рассыпание семян», — сказал Олсен объяснил.
По его словам, у сорняков также очень стойкий покой семян. Во время одомашнивания проводится отбор против покоя, потому что фермеры отбирают все, что появляется первым. Но, опять же, это плохая стратегия для сорняков, поэтому покой также снова появляется.
Сочетание разрушения и длительного покоя означает, что на полях сельскохозяйственных культур есть резервуар семян сорняков, которые могут расти год за годом и вытеснять урожай.Глубокая история рисаГенетический анализ, проведенный группой ученых, показал, что два штамма сорняков произошли от двух разных сортов риса, индика и аус, которые были одомашнены в разных частях Азии.Большая часть риса, выращиваемого в США, — это третий сорт, японика, который выращивают еще в одном месте.
По этой причине и поскольку генетическое разнообразие этих двух сорных штаммов сравнительно невелико, они, вероятно, были завезены в США в качестве загрязнителей зерновых культур.Оба сорных штамма появились после того, как рис был одомашнен, и после того, как в культуре появились некоторые сортовые различия. Но сорняк блэкхалл, кажется, отделился от сорта риса аус намного раньше, чем сорняк соломенная оболочка отделился от индики.Олсен объяснил, что одомашнивание сельскохозяйственных культур — это длительный процесс, который обычно делится на два этапа.
На первом этапе человеческий отбор отдает предпочтение «признакам одомашнивания», которые позволяют выращивать растение в первую очередь, например, семенам, которые нелегко разрушить. Позднее человеческий отбор будет отдавать предпочтение «улучшениям», таким как аромат, напоминающий попкорн, и вкус риса басмати.Чем большим количеством этих черт обладает сорняк, тем позже он эволюционировал. Оба штамма сорняков в США имеют только три варианта сельскохозяйственных культур, которые являются мишенями отбора во время одомашнивания риса.
С другой стороны, соломенная оболочка, но не сорняк блэкхалл, имеет гены большинства широко отобранных признаков улучшения.Сорняки черной шелухи развились после того, как рис был одомашнен, но до того, как он был улучшен, а сорняки соломенной оболочки отпали только после того, как рис был дополнительно улучшен селекцией.De-одомашниваниеУстановив, когда возникла сорняк, ученые посмотрели, как она развивалась, сравнив геномы сорняков с геномами их предполагаемых предков сельскохозяйственных культур.
Они искали «признаки отбора», свидетельства столь благоприятных мутаций, что они быстро распространились по популяции.Они обнаружили, что сигнатуры соответствуют участкам генома, которые контролируют признаки сорняков, но не тем, на которые влияет одомашнивание.
Например, все сорные сорта риса обладают мутацией sh4, которая характерна для одомашненных нерушимых рисов. Однако восемь других участков гена вовлечены в повторное приобретение разрушения сорняковыми штаммами.Более того, большинство генов адаптации к сорнякам сгруппированы в геномные острова, а не распределены случайным образом по всему геному.
«У каждого типа сорняков разные геномные островки», — сказал Олсен. «Таким образом, превращение культуры в сорняк не требует многих генетических изменений и может происходить через различные генетические механизмы».«Мы должны помнить об очевидной легкости, с которой эти сельскохозяйственные сорняки неоднократно развивались по мере того, как мы переходим к механизированным методам производства, которые способствуют их успеху».
«Что меня восхищает в этих сорняках, — сказал Олсен, — так это то, как они адаптировали сельскохозяйственную систему. Они пользуются преимуществами этой замечательной среды, которую мы создаем, обрабатывая и обеспечивая питательными веществами, и таким образом вытесняют растения, которые иметь желаемые черты ".