Несмотря на то, насколько важна кукуруза или кукуруза для современной жизни, в понимании ее путешествия в пространстве и времени остаются пробелы. Теперь команда исследователей из Смитсоновского института использовала древнюю ДНК, чтобы заполнить некоторые из этих пробелов.
Новое исследование, которое раскрывает подробности 9000-летней истории кукурузы, является ярким примером того, как фундаментальные исследования древней ДНК могут дать понимание истории человечества, которое в противном случае было бы недоступно, сказал со-ведущий автор Логан Кистлер, куратор археогеномики. и археоботаника в Смитсоновском национальном музее естественной истории.
«Одомашнивание – превращение диких растений на протяжении тысяч лет в культуры, которыми мы питаемся сегодня, – возможно, самый важный процесс в истории человечества, а кукуруза – одна из самых важных культур, выращиваемых в настоящее время на планете», – сказал Кистлер. "Понимание эволюционного и культурного контекста одомашнивания может дать нам ценную информацию об этой пище, на которую мы так полагаемся, и ее роли в формировании цивилизации, какой мы ее знаем."
В декабре. В 14 выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences, Кистлер и международная группа сотрудников сообщают о полностью секвенированных геномах трех примерно 2000-летних початков из скального убежища Эль-Гиганте в Гондурасе.
Анализ трех геномов показывает, что эти тысячелетние сорта кукурузы из Центральной Америки имели южноамериканское происхождение, и добавляет новую главу в возникающую сложную историю одомашнивания кукурузы.
«Мы показываем, что люди везли кукурузу из Южной Америки обратно в центр приручения в Мексике», – сказал Кистлер. "Это обеспечило бы вливание генетического разнообразия, которое могло бы повысить устойчивость или повысить продуктивность.
Это также подчеркивает, что процесс одомашнивания и улучшения урожая не идет просто по прямой."
Люди впервые начали выборочно разводить дикого предка кукурузы теосинте около 9000 лет назад в Мексике, но частично одомашненные разновидности этой культуры не достигли остальной части Центральной и Южной Америки еще 1500 и 2000 лет соответственно.
В течение многих лет ученые считали, что кукуруза сначала была полностью одомашнена в Мексике, а затем распространилась повсюду. Однако после того, как 5000-летние початки, обнаруженные в Мексике, оказались только частично одомашненными, ученые начали пересматривать, отражает ли это мышление полную историю одомашнивания кукурузы.
Затем, в знаменательном исследовании 2018 года, проведенном Кистлером, ученые использовали древнюю ДНК, чтобы показать, что хотя первые шаги Теосинте к одомашниванию были сделаны в Мексике, этот процесс еще не был завершен, когда люди впервые начали переносить его на юг, в Центральную и Южную Америку. В каждом из этих трех регионов процесс одомашнивания и улучшения сельскохозяйственных культур шел параллельно, но с разной скоростью.
В более ранней попытке сосредоточиться на деталях этой более богатой и сложной истории одомашнивания группа ученых, включая Кистлера, обнаружила, что 4300-летние остатки кукурузы из скального убежища в Центральной Америке Эль-Гиганте произошли от полностью одомашненных и высокопродуктивный сорт.
С удивлением обнаружив, что полностью одомашненная кукуруза в Эль-Гиганте сосуществует в регионе недалеко от места, где была обнаружена частично одомашненная кукуруза в Мексике, Кистлер и со-руководитель проекта Дуглас Кеннетт, антрополог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, объединились для генетического исследования. определить происхождение кукурузы Эль-Гиганте.
«Укрытие в скалах Эль-Гиганте примечательно тем, что в нем есть хорошо сохранившиеся остатки растений за последние 11 000 лет», – сказал Кеннетт. "Было обнаружено более 10 000 остатков кукурузы, от целых початков до фрагментов стеблей и листьев. Многие из этих останков датируются поздно, но благодаря обширному радиоуглеродному исследованию мы смогли идентифицировать некоторые останки, датируемые уже 4300 лет назад."
Они исследовали археологические слои, окружающие каменное убежище Эль-Гиганте, в поисках початков, зерен или чего-либо еще, что могло бы дать генетический материал, и команда начала работать над секвенированием некоторых из 4300-летних образцов кукурузы на этом месте – самых старых следов урожая. в Эль-Гиганте.
За два года команда попыталась секвенировать 30 образцов, но только три из них были подходящего качества для секвенирования полного генома.
Все три жизнеспособных образца были взяты из более позднего слоя обитания каменного укрытия – углерода, датированного 2300-1900 лет назад.
Используя три секвенированных генома кукурузы из Эль-Гиганте, исследователи проанализировали их на основе 121 опубликованного генома различных сортов кукурузы, в том числе 12 полученных из древних початков и семян кукурузы. Сравнение выявило фрагменты генетического совпадения между тремя образцами из каменного укрытия Гондураса и сортами кукурузы из Южной Америки.
«Генетическая связь с Южной Америкой была тонкой, но устойчивой», – сказал Кистлер. «Мы повторили анализ много раз, используя разные методы и составы проб, но продолжали получать тот же результат."
Кистлер, Кеннет и их соавторы из сотрудничающих институтов, включая Техасский университет A&M, Государственный университет Пенсильвании, а также Институт Фрэнсиса Крика и Уорикский университет в Соединенном Королевстве, предполагают, что реинтродукция этих южноамериканских сортов в Центральную Америку может приступили к выведению более продуктивных гибридных сортов в регионе.
Хотя результаты охватывают только образцы кукурузы Эль-Гиганте, датируемые примерно 2000 лет назад, Кистлер сказал, что форма и структура початков из слоя возрастом примерно 4000 лет позволяют предположить, что они были почти такими же продуктивными, как и те, которые были у него и его соавторов. в состоянии упорядочить. По мнению Кистлера, это означает, что улучшение урожая, вероятно, произошло раньше, а не в течение примерно 2000 лет, разделяющих эти археологические слои в Эль-Гиганте.
Команда также предполагает, что введение южноамериканских сортов кукурузы и их генов, вероятно, по крайней мере 4300 лет назад, могло повысить урожайность кукурузы в регионе и ее преобладание в рационе людей, которые жили. в более широком регионе, как было обнаружено в недавнем исследовании, проведенном Кеннеттом.
«Мы начинаем видеть слияние данных из многочисленных исследований в Центральной Америке, указывающих на то, что кукуруза становилась более продуктивной основной культурой, значение которой в рационе питания возрастало между 4700 и 4000 лет назад», – сказал Кеннетт.
Взятые вместе с недавним исследованием Кеннетта, эти последние результаты предполагают, что что-то важное могло произойти в одомашнивании кукурузы около 4000 лет назад в Центральной Америке, и что привнесение генетического разнообразия из Южной Америки могло иметь какое-то отношение к этому. Это предложенное время также совпадает с появлением первых оседлых сельскохозяйственных сообществ в Мезоамерике, которые в конечном итоге привели к возникновению великих цивилизаций в Северной и Южной Америке, ольмеков, майя, Теотиуакана и ацтеков, хотя Кистлер поспешил указать, что эта идея все еще отнесена к спекуляция.
«Мы не можем дождаться, чтобы вникнуть в подробности того, что именно произошло около 4000-летней отметки», – сказал Кистлер. "Есть так много археологических образцов кукурузы, которые не были проанализированы генетически.
Если бы мы начали тестировать больше этих образцов, мы могли бы начать отвечать на эти давнишние вопросы о том, насколько важным было повторное введение южноамериканских сортов."
Финансирование и поддержка этого исследования были предоставлены Смитсоновским институтом, Национальным научным фондом, Государственным университетом Пенсильвании и Институтом Фрэнсиса Крика.