Ученые выяснили, как эволюционировала корневая система кукурузы за 9000 лет

На этом изображении из исследования показана эволюция типов корней от теосинте до современной кукурузы за последние 10 000 лет, смоделированная с помощью программы OpenSimRoot, разработанной учеными Колледжа сельскохозяйственных наук Пенсильванского университета. Автор: Penn State.

Кукуруза была одомашнена из своего предка теосинте в центральной Мексике около 9000 лет назад, когда люди начали selectively разводить дикое растение, преобразуя его мелкие, твердые зерна в крупные, съедобные початки, которые мы знаем сегодня. На протяжении веков корневые признаки кукурузы — самой широко возделываемой культуры в США и второй в мире по площади посевов — эволюционировали в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды и методы ведения сельского хозяйства.

Поскольку роль корней в одомашнивании культур в ответ на меняющиеся обстоятельства остается неясной — и поскольку это может быть актуально в настоящее время, когда потепление климата создает стресс для кукурузы и других культур — группа исследователей под руководством ученых-растениеводов из Пенсильванского университета провела исследование, чтобы понять, как эволюционировали корневые признаки в процессе одомашнивания кукурузы.

Исследователи изучили ДНК древних растений кукурузы и проанализировали палеоботанические свидетельства — окаменелости древних растений, а также пыльцу и химические сигнатуры, которые дают представление об истории растительной жизни, чтобы увидеть, как эволюционировали корни кукурузы. Они также проанализировали, как доисторические уровни углекислого газа в атмосфере и деятельность человека повлияли на эти признаки.

Учитывая все эти факторы, они смоделировали рост и эволюцию корней кукурузы с помощью модели OpenSimRoot, компьютерной программы, предназначенной для имитации реакции сельскохозяйственных культур на почвенные условия, разработанной в Колледже сельскохозяйственных наук Пенсильванского университета. Команда недавно сообщила о своих выводах в журнале New Phytologist.

Исследователи сообщили, что в процессе преобразования теосинте в кукурузу произошли три основных изменения корней: уменьшение количества узловых корней — поверхностных корней, растущих от основания стебля; развитие многослойной корковой склеренхимы — толстостенных клеток в корне, которые помогают корням проникать в более глубокие почвы (это явление ранее было обнаружено исследователями из Пенсильванского университета); и увеличение количества зародышевых корней — рано развивающихся корней, которые помогают проросткам получать питательные вещества.

«Мы реконструировали фенотипы корней кукурузы и теосинте, а также среды долины Теуакан — одного из старейших регионов одомашнивания кукурузы — за последние 18 000 лет, используя комбинацию древней ДНК, палеоботаники и функционально-структурного моделирования, чтобы восстановить, как корневые признаки эволюционировали с течением времени», — сказал руководитель группы Джонатан Линч, distinguished профессор питания растений, старший автор исследования.

Исследование проследило следующую хронологию эволюции корневых признаков, согласно первому автору исследования Ивану Лопесу-Вальдивии, который получил докторскую степень в области растениеводства в Пенсильванском университете в 2024 году:

• 12 000–8000 лет назад: Уровень углекислого газа повысился, что способствовало развитию более глубоких корневых систем. Это поддержало сокращение узловых корней и появление многослойной корковой склеренхимы, которая помогает корням расти глубже и получать доступ к воде и питательным веществам в более сухих почвах.
• К 6000 лет назад: Было введено орошение, что изменило доступность азота — меньше в верхнем слое почвы, больше в более глубоких слоях. Это еще больше сократило узловые корни, а наличие многослойной корковой склеренхимы стало более полезным для доступа к этому азоту в подпочве.
• Около 3500 лет назад: Появилось больше зародышевых корней. Зародышевые корни — это начальная корневая система, которая развивается из семени при прорастании, играя crucial роль в поддержке раннего роста проростка путем поглощения воды и питательных веществ. Это совпало с интенсификацией сельского хозяйства, ростом населения и деградацией почв — условиями, которые сделали раннее развитие корней более важным для выживания.

Хотя исследователи заглянули далеко в прошлое при проведении своего исследования, Линч предположил, что выводы могут иметь implications для будущего, поскольку кукуруза является одной из важнейших мировых культур, а климат меняется, с увеличением содержания углекислого газа и изменением почв.

«Мы изучили ДНК из древних образцов растений кукурузы и использовали экологические данные из почвенных кернов, полученные археологами, собрали все вместе и сказали: „Хорошо, когда кукуруза была первоначально одомашнена, мы изменили окружающую среду“, — объяснил он. — Количество углекислого газа в атмосфере менялось, и растение должно было развить другую kind of корневую систему. Это интересно не только исторически — потому что так мы получили современную кукурузу — но также дает некоторое руководство относительно того, что мы можем сделать с корнями кукурузы в будущем, чтобы сделать их лучше приспособленными к developing условиям».

Больше информации: Ivan Lopez‐Valdivia et al, In silico analysis of the evolution of root phenotypes during maize domestication in Neolithic soils of Tehuacán, New Phytologist (2025). DOI: 10.1111/nph.70245

Источник: Pennsylvania State University