Кукуруза является одной из самых важных культур в мире. Мы не просто вытряхиваем его и жуем в початках; кукурузу можно превратить в муку и сироп, ее кормят скотом, превращают в этанол и даже используют для изготовления пластмассы. В период с 2016 по 2017 год по всему миру было произведено около миллиарда тонн кукурузы, и кукуруза дает более шести процентов всех пищевых калорий для человека.
История этого скромного, но удобного крахмала начинается тысячи лет назад в Мексике с приручения древней травы, называемой теосинте. Но, согласно новому исследованию, опубликованному в Science, траектория эволюции теосинта в золотое зерно, которое мы знаем сегодня, может быть более сложной, чем считали ученые.
Одомашнивание кукурузы, согласно общепринятой теории, произошло в долине реки Бальсас на юге центральной части Мексики. Около 9000 лет назад ранние фермеры в этом регионе начали выбирать благоприятные признаки теосинта, который сильно отличается от современной кукурузы и не особенно приятен на вкус; его початок маленький, а несколько его ядер окружены жесткой оболочкой. Но с вмешательством человека теосинтия превратилась в вкусную, нежную кукурузу, которую впоследствии доставили в другие части Америки. Ко времени европейской колонизации в 15 веке кукуруза была основным источником пищи во многих частях региона.
Логан Кистлер, ведущий автор нового исследования и куратор археоботаники и археогеномики в Смитсоновском национальном музее естественной истории, говорит, что согласно этой теории, поток генов из дикого теосинтета все еще происходил в некоторых одомашненных кукурузах, но «в основной, эволюционно важно, что поток генов более или менее остановился у общего предка всей кукурузы ».
Однако недавние разоблачения побудили Кистлера и его коллег переосмыслить эту идею. В 2016 году две независимые исследовательские группы проанализировали ДНК початков кукурузы в возрасте 5000 лет из пещеры в Мексике и обнаружили, что древняя кукуруза все еще находилась в процессе одомашнивания. У початков было несколько генов, связанных с теосинтом, которые диктовали такие вещи, как рассеяние семян и производство крахмала, и другие гены, характерные для одомашненной кукурузы, например, варианты, ответственные за устранение твердой наружной оболочки теосинта.
Эти результаты, по словам Кистлера, были удивительными. К тому времени, когда початки оказались на полу древней пещеры, кукуруза уже вышла далеко за пределы Мексики и выращивалась на юго-западе Амазонки около 1500 лет. Другими словами, эволюционная история зерна, казалось, раздвоилась на два разных пути.
«У вас есть этот парадокс, это несоответствие, когда у вас уже есть кукуруза, которая непрерывно выращивается в некоторых частях Амазонки в течение тысячелетий, а затем она еще даже не закончила быть одомашненной в центре происхождения», - объясняет Кистлер. «Чтобы совместить археологию и генетику ... нам пришлось подумать о новой модели одомашнивания».
Итак, Кистлер и его коллеги-исследователи решили поближе взглянуть на ДНК кукурузы - и то, что они обнаружили, наводит на мысль, что, хотя одомашнивание теосинтита действительно началось в Мексике,
Мы не должны думать об одомашнивании кукурузы как об отдельном событии. Вместо этого эволюция зерна была долгим и запутанным процессом, заключительные этапы его одомашнивания происходили более одного раза в более чем одном месте.
Новое исследование проанализировало геномы более 100 сортов современной кукурузы, около 40 из которых были секвенированы исследователями. Команда также посмотрела на ДНК 11 древних растений. Когда они наметили генетические связи между образцами, исследователи обнаружили несколько различных линий, каждая из которых имеет свое уникальное отношение к теосинту. Что наиболее важно, результаты показали, что, хотя одомашнивание кукурузы началось с одного большого генофонда в Мексике, зерно было перенесено в другое место до завершения процесса одомашнивания.
«Мы нашли в геномах свидетельство того, что южноамериканская кукуруза на самом деле произошла в одной из этих полугородских линий», - говорит Кистлер. «Эти параллельные эволюции происходили в разных частях Америки, с разными группами людей».
Согласно исследованию, была большая волна движения «прото-кукурузы» из Мексики в Южную Америку. По-видимому, частично одомашненная кукуруза приземлилась на юго-западе Амазонки, которая уже была горячей точкой для одомашнивания других растений, включая рис, тыкву и маниоку. Кистлер теоретизирует, что кукуруза была внедрена в фермерские практики, что дает возможность процессу одомашнивания начать с того места, где она остановилась. Возможно, хотя и нет уверенности, что кукуруза в этом новом месте развивалась быстрее, чем кукуруза в центре одомашнивания, что объясняет, почему початки 5000-летней давности из пещеры в Мексике, по-видимому, находятся в промежуточной фазе одомашнивания в то время, когда кукуруза уже выращивалась на Амазонке.
«Причина этого в том, что у вас нет постоянного потока генов из дикой популяции… где дикая кукуруза на краю поля будет вносить пыльцу», - говорит Кистлер. «Это снизит эффективность отбора, и вы не настолько эффективно сможете управлять выбором по этим признакам».
По словам авторов исследования, после нескольких тысячелетий инкубации на юго-западе Амазонки кукуруза снова пошла в движение - на этот раз в восточную Амазонию, где она росла на фоне общего расцвета сельского хозяйства, наблюдавшегося в регионе археологами.
Еще одно интересное открытие заключается в том, что современная кукуруза из Анд и юго-западной Амазонки тесно связана с кукурузой, выращенной в восточной части Бразилии, что указывает на другое движение на восток. По словам Кистлера, это согласуется с археологическими данными, такими как распространение керамических традиций, предполагающими, что люди в Америке начали расширяться на восток около 1000 лет назад. Сегодня, фактически, люди, которые говорят на языках макро-дэ около атлантического побережья Бразилии, используют местное амазонское слово «кукуруза».
Части этой генетической головоломки поначалу явно не совпадали. Кистлер сказал, что данные генома, которые он и его коллеги-исследователи собирали, были «действительно запутанными в течение длительного времени».
«Мы не могли сделать головы или хвосты из того, что мы видели, пока мы не начали разговаривать с лингвистами, палеоэкологами и археологами», - уточняет он. «Тогда это щелкнуло.»
Некоторые откровения появились благодаря счастливому стечению обстоятельств. В то время как Кистлер представлял раннюю версию своих находок в Бразилии в прошлом году, Флавиан Малакиас Коста, аспирант Университета Сан-Паулу, присутствовал в аудитории. Она указала, что генетическая карта Кистлера имеет удивительное сходство с распределением амазонского слова «кукуруза». Позже, Йонас Грегорио де Соуза и Эдуардо Рибейро, исследователи в Университете Эксетера и Музее естественной истории, соответственно, помогли далее связать эту лингвистическую тенденцию с пейзажем.
Коллективная работа команды «излагает четкую модель, в которой кукуруза продолжала развиваться после ее прибытия в Южную Америку», говорит Джеффри Росс-Ибарра, ученый из Калифорнийского университета в Дэвисе, который изучает эволюционную генетику кукурузы и теосинта., но не был вовлечен в это исследование. «Хотя это и не вторая одомашнивание как таковое, оно подчеркивает, что южноамериканская кукуруза претерпела значительные изменения в некоторой степени независимо от кукурузы в Мексике».
Для Майкла Блейка, антрополога из Университета Британской Колумбии, чьи исследования сосредоточены на происхождении и распространении сельского хозяйства, последовательность исследования девяти археологических растений особенно интересна. «У нас еще не было очень много хороших контекстов [в Южной Америке], где мы могли бы получить хорошие образцы археологической кукурузы, которые надежно датированы и… достаточно хорошо сохранились, чтобы они могли дать генетические доказательства», - говорит он.
Но Блейк также отмечает, что этим древним образцам было всего около 1000 лет, что «довольно поздно в эволюции кукурузы». Существует очень мало археологических образцов кукурузы из Южной Америки, датируемых пять или шесть тысяч лет назад, что затрудняет чтобы получить полную картину зерна, которое было проведено из Мексики.
«Сама генетическая характеристика не может многое рассказать нам о морфологии [или форме и структуре растений], потому что мы не знаем точно, каковы связи между аспектами морфологии и самими генами», объясняет Блейк.
Кистлер признает, что было бы «очень приятно» иметь такие старые доказательства из Южной Америки, но он также думает о будущем. По словам Кистлера, важно понимать, как в прошлом кукуруза адаптировалась к новым условиям, потому что зерно продолжает оставаться жизненно важным источником пищи. До настоящего времени одомашнивание кукурузы было настолько успешным, потому что симбиотические отношения между людьми и растением процветали на протяжении тысячелетий; выращивая кукурузу, люди получали надежный источник пищи, и кукурузу регулярно высевали в среде, богатой питательными веществами.
Наш быстро меняющийся климат, однако, «слегка нарушает эти отношения», объясняет Кистлер. «Поэтому еще более важно думать о биоразнообразии и о том, откуда придет адаптивность, когда наша система производства продуктов питания начнет плохо реагировать на изменяющиеся климатические характеристики высокого уровня».
