Благодарение на експеримент, започнат преди Голямата депресия, изследователите са открили гените, които стоят зад забележителната адаптивност на ечемика, ключова съставка в бирата и уискито. Тези открития могат да гарантират продължителното оцеляване на културата в условията на бързи климатични промени.
Отглеждан навсякъде от Азия и Египет до Норвегия и Андите в Южна Америка, ечемикът е една от най-важните зърнени култури в света и това е така от поне 12 000 години. С разпространението си по целия свят, случайни промени в ДНК-то му са му позволили да оцелее на всяко ново място.
От решаващо значение е да се идентифицират гените, които са се променили, за да се предскаже кои сортове ще процъфтяват на места, които сега се борят с все по-високи температури, по-дълги периоди на суша и по-драматични бури.
„Селекционерите отдавна са разбрали необходимостта от разработване на култури, които са добре адаптирани към местната среда. Затова преди век те започнаха този експеримент в Дейвис, Калифорния, с сортове ечемик от цял свят с цел да идентифицират сортове, адаптирани към местните условия“, каза Дан Коен, генетик от Калифорнийския университет в Ривърсайд.
„Учените, които започнаха експеримента, не разполагаха с възможността да определят кои гени правят ечемика успешен и с висока добивност в дадена среда, но сега можем да изследваме десетки милиони генетични промени в един експеримент в моята лаборатория“, каза Коен.
Десетки гени, които допринасят за адаптивността на ечемика, са описани в ново проучване, публикувано в списанието Science. Коен, който е автор на проучването, обясни, че някои от гените, които са идентифицирали, помагат на ечемика да синхронизира репродуктивните си процеси с най-оптималните части от размножителния сезон.
„Цъфтежът, който е твърде ранен или твърде късен, означава, че растението няма да може да произведе семена“, каза Коен. „За да произведат максимално количество семена, културите трябва да цъфтят в много тесен период.“
В Калифорния културите трябва да завършат цъфтежа си преди началото на дългия сух сезон, иначе няма да има достатъчно вода за образуване на семена. Но ако растенията цъфнат твърде рано, те могат да бъдат изложени на слана. Изследователите идентифицираха как генетиката позволява цъфтеж точно в подходящия период, като няколко гена насърчават ранното цъфтеж, а други намаляват късното цъфтеж.
Идентифицирането на тези гени не беше лесен процес. „Едно от предизвикателствата при разбирането на генетичните адаптации е, че това може да отнеме десетилетия, тъй като можете да отглеждате само едно поколение ечемик на година“, каза Коен.
За щастие, Коен и колегите му имат достъп до експеримента Barley Composite Cross II, основан в Дейвис, Калифорния, през 1929 г. – един от най-старите биологични експерименти в света. Той е започнат с цел да се открият нови сортове ечемик за пазара в Калифорния. В продължение на десетилетия в Дейвис селекционерите са състезавали хиляди генетично различни видове ечемик един срещу друг. Ечемикът, който е растял най-добре в горещия и сух климат на Калифорния, е изместил съседите си и с времето е станал по-разпространен.
Групата на Коен е осъзнала, че семената от този експеримент могат да се използват като машина на времето, за да се наблюдава директно процесът на адаптация и да се идентифицират гените, които са позволили оцеляването.
През тези 58 вегетативни сезона полето премина от 15 000 генетично различни индивидуални растения до един-единствен растителен род, който доминира 60% от популацията – без никаква селекция от страна на човека.
„Бяхме шокирани от размера на промяната, която настъпи за кратко еволюционно време“, каза Коен. „Естествената селекция напълно преобрази генетичното разнообразие в целия геном само за едно човешко поколение.“
Изследователският екип планира допълнителни проучвания, за да изследва дългосрочни експериментални данни от различни климатични условия, за да разбере как може да се промени времето на цъфтежа.
Освен това екипът би искал да разбере по-добре нещо любопитно, което е наблюдавал. По време на експеримента на Дейвис популацията от растения съдържаше сортове от много места. Докато се адаптираха към Северна Калифорния, растенията естествено увеличиха добивът си почти двойно. Въпреки това, това увеличение все още е по-малко от това, което се получава при ръчна селекция.
„Добивът може да е в конкуренция с други характеристики, като бърз растеж или височина“, каза Коен. „Производителите искат растения, които са приятелски настроени към съседите си, но това може да ограничи адаптирането към околната среда.“
Тъй като ечемикът е генетично подобен на пшеницата, ориза и царевицата, познанията за това как той оцелява в толкова разнообразни среди могат да бъдат използвани, за да се помогне на тези други зърнени култури да се адаптират към екстремни климатични условия.
Използвайки съвременни технологии като генно инженерство и CRISPR, изследователите биха могли да се опитат да създадат други култури, които цъфтят в определени, по-благоприятни периоди.
„Способността на ечемика да се адаптира е послужила като крайъгълен камък за развитието на цивилизацията. Разбирането й е важно не само за да продължим да произвеждаме алкохолни напитки, но и за да можем да развиваме културите на бъдещето и да подобрим способността им да се адаптират към промените в света“, каза Коен.
