Сравнительный анализ транскриптомов ячменя

Сравнительный анализ транскриптомов культурного и дикого ячменя из разных районов Азии показал, что современный культурный ячмень имеет смешанное происхождение. Одни участки его генома, расположенные преимущественно на хромосомах 1–3, пришли из ближневосточных популяций дикого ячменя, другие (в основном на хромосомах 4–7) — из тибетских. Кроме того, исследование подтвердило, что генетическое разнообразие дикого ячменя намного выше, чем культурного. Это значит, что в ходе одомашнивания была утрачена значительная часть генетических вариантов, характерных для диких популяций ячменя, которые, таким образом, могут послужить ценным источником генетического материала для улучшения существующих культурных сортов и выведения новых.

Ячмень (Hordeum vulgare) — одно из древнейших культурных растений, возделываемое уже около 10 000 лет. Сегодня ячмень занимает в мировом сельском хозяйстве четвертое место по значимости среди злаков (после кукурузы, пшеницы и риса). Хотя перловая каша, возможно, и выходит из моды, а хлеб из ячменной муки испечь очень нелегко, ячмень по-прежнему незаменим как кормовое растение, а также как сырье для производства пива и виски.

Ближневосточные охотники-собиратели питались диким ячменем Hordeum spontaneum, предком культурного ячменя, задолго до перехода к сельскому хозяйству. В отличие от диких предков пшеницы и других культурных злаков, имеющих сравнительно узкие ареалы, дикий ячмень распространен весьма широко: от Ближнего Востока до Центральной Азии и Тибетского нагорья.

В ходе доместикации у культурного ячменя закрепилось множество мутаций, благодаря которым растение стало более удобным для культивирования. В частности, мутации в генах Ppd-H1, vrs1, HvAP2 и HvCEN, расположенных на второй хромосоме, повлияли на сроки цветения и морфологию остей (у дикого ячменя ости более зазубренные и прочные, а созревшие семена легко опадают вместе с цветковыми чешуями — это адаптация для распространения животными, крайне неудобная для земледельцев); на седьмой хромосоме закрепился вариант гена VRN-H3, повлиявший на время прорастания семян; две мутации в генах, расположенных по соседству на третьей хромосоме, сделали семена неопадающими (аналогичные изменения произошли и у других окультуренных злаков на ранних этапах доместикации; см. ссылки в конце новости).

Долгое время считалось, что ячмень, как и многие другие культурные растения, был одомашнен единожды на Ближнем Востоке, на территории так называемого Плодородного полумесяца. Однако в последние годы стали накапливаться генетические данные, указывающие на возможное полифилетическое (смешанное) происхождение современного культурного ячменя и, соответственно, более сложную историю доместикации.

Генетики из Китая, Японии и Израиля воспользовались методом секвенирования транскриптомов, чтобы прояснить историю древнейшего культурного растения. Геном ячменя, состоящий из семи хромосом, был прочтен и опубликован в 2012 году. Но он слишком велик (5,1 млрд пар нуклеотидов), чтобы изучать популяционную структуру и генетический полиморфизм путем полногеномного секвенирования множества растений. В такой ситуации тотальное секвенирование РНК (транскриптов) является оправданной и гораздо более дешевой альтернативой. При этом в поле зрения ученых попадает пусть и не весь геном, зато самые его важные (активно работающие) участки — в первую очередь белок-кодирующие гены (без интронов) и гены функциональных РНК.

Авторы отсеквенировали РНК из проросших семян девяти экземпляров культурного ячменя (были взяты сорта из Китая, Японии, Дании, Германии и Франции) и представителей 12 диких популяций (с Тибетского нагорья, из Турции, Израиля и Ирана). Общая длина отсеквенированных последовательностей — 59 млрд нуклеотидов. Прочтенные фрагменты РНК затем «привязывались» к опубликованному геному, что позволило в итоге получить для каждого растения частичные или полные последовательности большинства белок-кодирующих генов.

Дальнейший анализ строился на сравнении генетического полиморфизма — однонуклеотидных вариаций, то есть отличий от опубликованного генома (SNVs, single nucleotide variants), уникальных для данного растения или общих для нескольких растений. В общей сложности в изученной выборке (включавшей, напомним, 9 культурных и 12 диких растений) было идентифицировано 191 534 однонуклеотидных вариаций и 6 744 «инделов» (вставок и выпадений), приуроченных к 20 682 генам.

Генетическое разнообразие у диких растений оказалось значительно выше, чем у культурных. Так, у ближневосточного дикого ячменя было выявлено по 46 538–58 502 вариаций на растение, у дикого тибетского ячменя 38 704–52 007, а у культурного — в среднем лишь 27 968 однонуклеотидных вариаций на растение. Аналогичные результаты получились и при подсчете вариаций, уникальных для каждого экземпляра. Эти результаты подтверждают вывод, полученный ранее при анализе отдельных участков генома: в ходе доместикации ячменя значительная часть исходного генетического разнообразия, существовавшего (и по сей день существующего) в диких популяциях, была потеряна. Это значит, что дикий ячмень потенциально является ценным источником генетического материала, который селекционеры могут использовать для улучшения существующих сортов и получения новых (особенно если учесть, что дикий ячмень, во-первых, успешно приспосабливается к разнообразным неблагоприятным условиям, во-вторых, легко скрещивается с культурными сортами).

Сравнительный анализ транскриптомов показал, что изучаемая выборка четко подразделяется на четыре кластера. В первый кластер попали все дикие тибетские растения. Дикий ближневосточный ячмень подразделился на две генетически несхожие группировки (три экземпляра из Израиля оказались сильно отличающимися от другой группы генотипов, куда вошли другие растения из Израиля, а также из Турции и Ирана). В четвертый кластер попали все культурные сорта — за единственным исключением. Тибетский голый (голозёрный) ячмень, или цинке, оказался генетически более похож на дикий тибетский ячмень, чем на другие культурные сорта (в том числе и тибетские). По-видимому, цинке — результат отдельного акта доместикации или многократных скрещиваний с местными дикими растениями. Поэтому авторы исключили цинке из дальнейшего анализа. Все остальные культурные сорта оказались генетически довольно однообразными и четко обособленными от диких генотипов.

Самые интересные результаты дал сравнительный анализ генетического сходства (доли общих SNVs) между культурными сортами (рассматриваемыми теперь как единая группа) и тремя группами диких генотипов (тибетской и двумя ближневосточными). Оказалось, что в геноме культурного ячменя имеется множество участков (анализировались непересекающиеся отрезки по 300 тысяч нуклеотидов), демонстрирующих повышенное сходство либо с тибетскими генотипами, либо с одной (и только одной) из двух ближневосточных групп. Вторая ближневосточная группа оказалась генетически мало похожа на культурные сорта. При этом «тибетские» и «ближневосточные» фрагменты распределены в геномах культурных растений очень неравномерно: в хромосомах 1, 2 и 3 преобладают участки ближневосточного происхождения, тогда как в хромосомах 4 — 7 больше сходства с тибетским диким ячменем. Чтобы убедиться, что это не случайность, авторы отсеквенировали транскриптомы еще пяти культурных сортов и повторили анализ: результаты получились точно такие же.

Хотя исследование не позволило в точности реконструировать историю доместикации ячменя (из-за малого числа изученных генотипов), оно показало со всей определенностью, что эта история была более сложной, чем принято считать. Современный культурный ячмень, возделываемый по всему миру, получил свои гены не из одного источника (диких ближневосточных популяций), а как минимум из двух. Тибетский дикий ячмень внес в генофонд культурного ячменя не меньший вклад, чем растения, одомашненные 10 000 лет назад на территории Плодородного полумесяца.

Дальнейшие исследования покажут, был ли ячмень одомашнен два раза независимо, на Ближнем Востоке и в Тибете (а генофонды двух окультуренных популяций затем смешались), или сначала все-таки доместикация произошла на Ближнем Востоке, после чего культура ячменя проникла в Тибет и там обогатилась полезными генами, заимствованными у местных диких популяций, а затем сорта с примесью тибетских генов постепенно вытесняли «чисто ближневосточные» линии. Авторы обсуждаемой работы считают оба сценария вполне вероятными.