Η ανακάλυψη γονιδίων μπορεί να βοηθήσει τα ροδάκινα να ανεχθούν την κλιματική αλλαγή

Μια ομάδα υπό την ηγεσία της BTI έχει εντοπίσει γονίδια που επιτρέπουν στα ροδάκινα και τους άγριους συγγενείς τους να ανεχθούν αγχωτικές συνθήκες - ευρήματα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν το εξημερωμένο ροδάκινο να προσαρμοστεί στην κλιματική αλλαγή.

Η μελέτη, με επικεφαλής το μέλος της σχολής Boyce Thompson, Zhangjun Fei , εξέτασε τα γονιδιώματα των άγριων συγγενών και των εκτάσεων του ροδάκινου - ποικιλίες που έχουν προσαρμοστεί εδώ και πολύ καιρό σε συγκεκριμένες τοπικές συνθήκες - από επτά περιοχές στην Κίνα. Προσδιόρισαν γονίδια υπεύθυνα για την ανοχή του ροδάκινου σε πολλούς περιβαλλοντικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των επιπέδων ακτινοβολίας κρύου, ξηρασίας και υπεριώδους ακτινοβολίας (UV-B) σε μεγάλα υψόμετρα.

«Η μελέτη μας παρέχει πολλά υποψήφια γονίδια, δείχνοντας πώς το ροδάκινο έχει προσαρμοστεί σε όλα τα είδη περιβαλλοντικών πιέσεων και ερεθισμάτων», δήλωσε ο Fei, ο οποίος είναι επίσης αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Ολοκληρωμένης Φυτικής Επιστήμης του Πανεπιστημίου Cornell. "Οι παραγωγοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για να αναπτύξουν πιο ανθεκτικά εξημερωμένα ροδάκινα που αντιμετωπίζουν καλύτερα τις ακραίες θερμοκρασίες, την ξηρασία και άλλες σκληρές, μεταβαλλόμενες συνθήκες που επιβάλλονται από την κλιματική αλλαγή."

Η έρευνα περιγράφεται σε μια δημοσίευση που αναρτήθηκε στις 9 Μαρτίου στο περιοδικό Genome Research , με συγγραφείς από το BTI, το Υπουργείο Γεωργίας των ΗΠΑ, την Κινεζική Ακαδημία Γεωργικών Επιστημών, το Γεωργικό Πανεπιστήμιο Huazhong και το Ινστιτούτο Έρευνας και Τεχνολογίας Αγροτικών Τροφών στη Βαρκελώνη. Ο Lirong Wang, καθηγητής στην Κινεζική Ακαδημία Γεωργικών Επιστημών, ηγήθηκε του έργου με τον Fei.

Τις τελευταίες δεκαετίες, η κλιματική αλλαγή έχει κάνει πολλές καλλιέργειες τροφίμων λιγότερο παραγωγικές, επισημαίνοντας την επείγουσα ανάγκη να τις καταστήσουμε πιο ανθεκτικές στους κλιματολογικούς παράγοντες. Πολλές μελέτες έχουν εντοπίσει τα γονίδια που επιτρέπουν στο ρύζι, τη σόγια και άλλες καλλιέργειες τροφίμων να προσαρμοστούν στο τοπικό τους περιβάλλον. Ωστόσο, λίγες μελέτες έχουν εξετάσει σημαντικές καλλιέργειες φρούτων όπως το εξημερωμένο ροδάκινο ( Prunus persica ), το οποίο έχει ετήσια παγκόσμια απόδοση 24,5 εκατομμυρίων τόνων.

Πολλά από τα γονίδια προσαρμογής του εξημερωμένου ροδάκινου έχουν χαθεί καθώς οι άνθρωποι αναπαράγουν το φυτό για να επικεντρωθούν στη γεύση, τη γλυκύτητα και άλλα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, οι άγριοι συγγενείς και τα εδάφη του ροδάκινου έχουν μεγάλη γενετική ποικιλομορφία που θα μπορούσε να προσφέρει πόρους για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του εξημερωμένου ξαδέλφου τους.

Οι ερευνητές συγκέντρωσαν 263 άγριους συγγενείς ροδάκινου από το Εθνικό Αποθεματικό Πλαίσιο Ροδάκινων της Κίνας και 45 από το Οροπέδιο του Θιβέτ. Στη συνέχεια, η ομάδα διεξήγαγε μελέτες περιβαλλοντικής συσχέτισης σε ολόκληρο το γονιδίωμα στα δείγματα και εντόπισε περισσότερα από 2.700 σημεία στο γονιδίωμα που συνδέονται με 51 περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τα τοπικά κλίματα αυτών των περιοχών.

Για παράδειγμα, τα ροδάκινα από μια περιοχή με εξαιρετικά χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες είχαν μια γενετική διακύμανση στην πρωτεΐνη φωσφοτρανσφερίνης ιστιδίνης AHP5, υποδηλώνοντας ότι η παραλλαγή έδωσε στο δέντρο ροδάκινου την ικανότητα να αντιστέκεται στο κρύο. Η ομάδα επιβεβαίωσε αυτήν την ιδέα δείχνοντας ότι τα επίπεδα της πρωτεΐνης αυξήθηκαν όταν τα φυτά υπέστησαν χαμηλές θερμοκρασίες.

Τα φυτά από μια πολύ ξηρή περιοχή διέφεραν παραλλαγές σε πολλαπλά γονίδια στο μονοπάτι βιοσύνθεσης του abscisic acid (ABA) που ρυθμίζει τις αντιδράσεις στο στρες της ξηρασίας και σε 12 γονίδια σε μονοπάτια που ρυθμίζουν το μεταβολισμό του αμύλου και του σακχάρου. Περαιτέρω πειραματισμός έδειξε ότι σε απόκριση στο στρες ξηρασίας, η ΑΒΑ προκάλεσε υψηλότερα επίπεδα ενζύμου που παράγει σακχαρόζη, εξηγώντας έτσι γιατί τα φρούτα από τα ροδάκινα στην περιοχή αυτή έχουν σταθερά υψηλότερη περιεκτικότητα σε σάκχαρα από τα φρούτα από λιγότερο ξηρές περιοχές.

«Όταν ένα καρποφόρο φυτό όπως το ροδάκινο μεγαλώνει κάτω από μια αγχωτική κατάσταση όπως η ξηρασία, τα φρούτα του γίνονται πιο γλυκά», δήλωσε ο Fei. "Σε αυτή τη μελέτη, βρήκαμε τον άμεσο γενετικό δεσμό μεταξύ ξηρασίας και περιεκτικότητας σε ροδάκινο σε σάκχαρα."

Στα ροδάκινα από το οροπέδιο του Θιβέτ, η ομάδα εντόπισε μια παραλλαγή στη συνθετάση 2 της χαλκόνης που σχετίζεται με την ανοχή στην έντονη ακτινοβολία UV-B αυτής της περιοχής μεγάλου υψομέτρου. Η παραλλαγή αύξησε την παραγωγή του μωβ χρώματος φλαβονοειδούς ανθοκυανίνης στους νέους βλαστούς του φυτού, προστατεύοντάς τους από βλάβες από την ακτινοβολία UV-B.

"Συνολικά, οι γενετικές πληροφορίες που βρήκαμε θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ανθρώπους να αναπαράγουν ροδάκινα που αναπτύσσονται σε πολλά διαφορετικά και σκληρά περιβάλλοντα, επεκτείνοντας τη γεωγραφική περιοχή του ροδάκινου σε νέες περιοχές", δήλωσε ο Fei. «Οι παραγωγοί θα μπορούσαν να αναπτύξουν ποικιλίες που ευδοκιμούν σε αχρησιμοποίητη γη, ενισχύοντας την τοπική οικονομία και φέρνοντας περισσότερο καλό φαγητό στις τοπικές αγορές».

Η κλιματική αλλαγή έχει επίσης επηρεάσει πολλά εύκρατα είδη ανθοφορίας και καρποφορίας, συμπεριλαμβανομένου του ροδάκινου, προκαλώντας τα να ανθίσουν νωρίτερα. Η ομάδα ανέλυσε 89 δείγματα ροδάκινου που εκτείνονταν σε τρεις δεκαετίες (1983-2011) από μια περιοχή στην Κίνα και διαπίστωσε ότι οι ημερομηνίες άνθισης είχαν προχωρήσει περίπου 10 ημέρες κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Εντόπισαν επίσης μια πιθανή γενετική εξήγηση για αυτήν την πρόοδο: μια παραλλαγή σε ένα κιρκαδικό γονίδιο ρολογιού, το LNK1, το οποίο ρυθμίζεται από τις θερμές θερμοκρασίες και εκφράζεται ιδιαίτερα κατά την άνθιση.

"Αυτό το εύρημα θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει στους κτηνοτρόφους να ελέγξουν την ημερομηνία άνθισης των δέντρων τους, έτσι ώστε η καλλιέργεια ροδάκινου να είναι έτοιμη για συγκομιδή όταν ο καλλιεργητής και η αγορά είναι έτοιμα", δήλωσε ο Fei.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από επιχορηγήσεις από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (IOS-1339287 και IOS-1855585), το Πρόγραμμα Καινοτομίας Γεωργικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (CAAS-ASTIP-2020-ZFRI-01), το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (31572094 ) και το πρόγραμμα διατήρησης πόρων καλλιεργητικών πλανητών (2016NWB041).