Как современное сельское хозяйство превратило дикое растение в проблематичный сорняк
Водяная пенька на кукурузном поле

Водяная конопля может резко снизить урожайность кукурузы и сои, как видно справа на кукурузном поле в графстве Эссекс. Фото: Джулия Крайнер, Университет Британской Колумбии.

Новое исследование показало, что сельское хозяйство вызывает быстрые эволюционные изменения не только на фермах, но и у диких видов в прилегающих районах.

Международная группа исследователей из Университета Британской Колумбии обнаружила, как расширение современного сельского хозяйства превратило местное североамериканское растение, водяную коноплю, в вредный сельскохозяйственный сорняк.

В исследовании, опубликованном в журнале Science , сравнивались 187 образцов водяной конопли с современных ферм и прилегающих водно-болотных угодий с более чем 100 историческими образцами, датируемыми 1820 годом, которые хранились в музеях по всей Северной Америке. Анализируя генетический состав растения за последние два столетия, исследователи смогли наблюдать за эволюцией в действии в различных средах, подобно тому, как изучение древних человеческих и неандертальских останков может раскрыть ключевое понимание истории человечества.

155-летний образец водяной конопли

155-летний образец гербария водяной конопли из гербария Ботанического сада Миссури. Фото: Джулия Крайнер, Университет Британской Колумбии.

«Генетические варианты, которые помогают растению хорошо себя чувствовать в современных сельскохозяйственных условиях, удивительно быстро поднялись до высоких частот после интенсификации сельского хозяйства в 1960-х годах», — сказала первый автор, доктор Джулия Крайнер, научный сотрудник отдела ботаники Университета Британской Колумбии.

Исследователи обнаружили сотни генов в геноме сорняка, которые способствуют его успеху на фермах, при этом часто появляются мутации в генах, связанных с засухоустойчивостью, быстрым ростом и устойчивостью к гербицидам. «Типы изменений, которые мы вносим в сельскохозяйственную среду, настолько сильны, что они имеют последствия в соседних средах обитания, которые мы обычно считаем естественными», — сказал доктор Крайнер.

Ведущий автор доктор Джулия Крайнер, выполняющая экстракцию ДНК

Ведущий автор, доктор Джулия Крайнер, проводит экстракцию ДНК из образцов исторического гербария в лаборатории древней ДНК в Тюбингене, Германия. Фото: Джулия Крайнер, Университет Британской Колумбии.

Выводы могут помочь в природоохранных мероприятиях по сохранению природных территорий в ландшафтах, где преобладает сельское хозяйство. Сокращение оттока генов с сельскохозяйственных угодий и выбор более изолированных природных популяций для защиты могут помочь ограничить эволюционное влияние ферм.

Обыкновенная водяная конопля родом из Северной Америки и не всегда была проблемным растением. Тем не менее, в последние годы сорняки стало почти невозможно искоренить на фермах благодаря генетической адаптации, включая устойчивость к гербицидам.

«В то время как водяная конопля обычно растет возле озер и ручьев, генетические сдвиги, которые мы наблюдаем, позволяют растению выживать на более засушливых землях и быстро расти, чтобы превзойти сельскохозяйственные культуры», — сказала соавтор доктор Сара Отто, профессор Университета Киллама в университете. Британской Колумбии. «Водяная конопля в основном превратилась в сорняк, учитывая, насколько сильно она была выбрана для процветания наряду с сельскохозяйственной деятельностью человека».

Водяная пенька в естественной среде обитания

Водяная конопля, встречающаяся в естественной среде обитания, песчаное слияние озера в южном Иллинойсе. Фото: Джулия Крайнер, Университет Британской Колумбии.

Примечательно, что пять из семи устойчивых к гербицидам мутаций, обнаруженных в текущих образцах, отсутствовали в исторических образцах. «Современные фермы налагают сильный фильтр, определяющий, какие виды растений и мутации могут сохраняться во времени», — сказал доктор Крайнер. «Секвенировав гены растения, гербициды оказались одним из сильнейших сельскохозяйственных фильтров, определяющих, какие растения выживут, а какие погибнут».

Водяная конопля, несущая любую из семи устойчивых к гербицидам мутаций, производила в среднем в 1,2 раза больше выживших потомков в год с 1960 года по сравнению с растениями, не имеющими мутаций.

Мутации, устойчивые к гербицидам, также были обнаружены в естественных средах обитания, хотя и с меньшей частотой, что вызывает вопросы о стоимости этих адаптаций для жизни растений в несельскохозяйственных условиях. «В отсутствие применения гербицидов устойчивость может на самом деле дорого обойтись растению, поэтому изменения, происходящие на фермах, влияют на приспособленность растения в дикой природе», — сказал доктор Крайнер.

Сельскохозяйственные методы также изменились там, где в ландшафте встречаются определенные генетические варианты. За последние 60 лет сорный юго-западный сорт все больше продвигался на восток через Северную Америку, распространяя свои гены среди местного населения в результате своего конкурентного преимущества в сельскохозяйственных условиях.

«Эти результаты подчеркивают огромный потенциал изучения исторических геномов для понимания адаптации растений в короткие сроки», — говорит доктор Стивен Райт, соавтор и профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Торонто. «Расширение этого исследования в масштабах и видах расширит наше понимание того, как сельское хозяйство и изменение климата способствуют быстрой эволюции растений».

«Понимание судьбы этих вариантов и того, как они влияют на растения в нефермерских, «диких» популяциях, является важным следующим шагом в нашей работе», — говорит профессор Джон Стинчкомб из Университета Торонто, соавтор исследования.

Ссылка: «Быстрая адаптация сорняков и расширение ареалов в ответ на сельское хозяйство за последние два столетия», Джулия М. Крайнер, Серхио М. Латорре, Эрнан А. Бурбано, Джон Р. Стинчкомб, Сара П. Отто, Детлеф Вайгель и Стивен I. Райт, 8 декабря 2022 г., Наука .
DOI: 10.1126/science.abo7293

Ботаника
Дата публикации: 2023.01.17