Genetyczna prehistoria glutenu
Obszerna analiza genetyczna jednorocznej trawy gatunku Aegilops tauschii, popularnej na Bliskim Wschodzie i w Azji Środkowej wykazała, że to właśnie dzięki niej pszenica posiada gen, którego ekspresja umożliwia produkcję gluteniny, białka glutenu.
Odpowiednio przeprowadzone badania genetyczne mogą sięgać daleko w przeszłość gatunku i odkrywać zapomniane przez historię fakty. Tak jak kiedyś badacze natknęli się na ślady genomu neandertalczyka w DNA współczesnych ludzi, tak samo teraz „genetyczni detektywi” niespodziewanie odnaleźli powiązanie współczesnej pszenicy z gatunkiem trawy Aegilops tauschii. Co więcej, wygląda na to, że to właśnie udział tego gatunku w genomie współczesnej pszenicy umożliwił wystąpienie u niej wyjątkowych właściwości, które zmieniły jej – i naszą – historię.
Badanie było w ogóle możliwe dlatego, że przez dziesięciolecia lokalni przyrodnicy zbierali okazy Aegilops tauschii na całym obszarze jego występowania – od Turcji po Azję Środkową. Teraz międzynarodowy zespół badaczy – a właściwie całe konsorcjum biologów z kilkunastu krajów – wykorzystał ten trud i zsekwencjonował DNA 242 okazów tych traw, a następnie przeprowadził analizę, która przyniosła interesujące wnioski: białko zwane gluteniną, podstawowy składnik glutenu, występuje w pszenicy, z której powstaje większość współczesnego pieczywa, dzięki połączeniu (hybrydyzacji) Triticum aestivum i Aegilops tauschii.
Aegilops tauschii to dziko występujący, popularny na Bliskim Wschodzie gatunek trawy, nieodlegle spokrewniony z pszenicą. Analiza genomu jego populacji prowadzona przez zespół dr. Kumara Gaurava z brytyjskiego John Innes Centre wykazała istnienie trwałej „linii rodowej” tej rośliny na Kaukazie, na terenie dzisiejszej Gruzji. Kaukaz znajduje się około 500 kilometrów od pasa ziemi zwanego Żyznym Półksiężycem, czyli historycznego obszaru od Egiptu po Irak, na którym około 10 tysięcy lat temu rozwinęło się rolnictwo, w tym uprawa pszenicy. Ponieważ to ślady tej linii genetycznej odkryto w DNA pszenicy, to wygląda na to, że do hybrydyzacji doszło poza Żyznym Półksiężycem.
Badania są częścią dużego projektu, czyli The Open Wild Wheat Consortium, w którym badacze z 38 różnych zespołów z 17 krajów wspólnie badają dzikie gatunki zboża i poszukują potencjalnych możliwości wykorzystania ich genomów w ulepszeniu zbóż uprawnych. Aegilops tauschii stał się dla konsorcjum bardzo atrakcyjnym przedmiotem zainteresowania, ze względu na jego dużą wytrzymałość i możliwość dostosowania do różnych warunków. Wygląda na to, że ta cecha już raz przysłużyła się rozwojowi rolnictwa.
Więcej szczegółów przyniosły w tym zakresie badania dr. Jesse’ego Polanda i jego zespołu z amerykańskiego Kansas State University. Z tych badań dowiedzieliśmy się, że w spuściźnie, którą chlebodajna pszenica przejęła od Aegilops tauschii jest także gen odpowiedzialny za dużą wytrzymałość i elastyczność pszenicy – gen przynoszący pszenicy największą przewagę nad innymi zbożami, odpowiedzialny za produkcję gluteniny.
Współczesna pszenica jest genetyczną kombinacją różnych zbóż i ma potężny kod genetyczny podzielony na podgenomy A, B i D. Tak zwana pszenica heksaploidalna, czyli posiadająca w swoim genomie sześć chromosomów (trzy pary zamiast jednej) stanowi 95 procent wszystkich odmian hodowanej obecnie pszenicy – obejmuje to między innymi pszenicę zwyczajną i pszenicę orkisz.
Współczesny, heksaploidalny genom pszenicy jest wynikiem dwóch hybrydyzacji typowych diploidalnych (posiadających jedną parę chromosomów) przodów. Wedle badaczy miały one miejsce 5,5 i 0,4 miliona lat temu. Podczas ostatniej doszło do połączenia z Aegilops tauschii, która dostarczyła pszenicy to, co określamy jako genom D.
Badania zostały opisane w artykułach, które ukazały się w czasopismach „Nature Biotechnology” i „Communications Biology”.
Więcej na temat projektu The Open Wild Wheat Consortium można przeczytać na stronie internetowej http://www.openwildwheat.org/.
Źródło badań:
Gaurav, K., Arora, S., Silva, P. et al. Population genomic analysis of Aegilops tauschii identifies targets for bread wheat improvement. Nat Biotechnol (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-021-01058-4
Delorean, E., Gao, L., Lopez, J.F.C. et al. High molecular weight glutenin gene diversity in Aegilops tauschii demonstrates unique origin of superior wheat quality. Commun Biol 4, 1242 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02563-7
Opracowano na podstawie artykułu How bread wheat got its gluten: Tracing the impact of a long-lost relative on modern bread wheat opublikowango na stronie internetowej John Innes Centre
