Новое исследование в журнале Science показывает, как развитие современного сельского хозяйства превратило местное растение Северной Америки, обыкновенную водяную коноплю, в проблемный сельскохозяйственный сорняк.

Международная команда, возглавляемая исследователями из Университета Британской Колумбии (UBC), сравнила 187 образцов воды с современных ферм и соседних водно-болотных угодий с более чем 100 историческими образцами, датируемыми 1820 годом, которые хранились в музеях по всей Северной Америке. Подобно тому, как секвенирование останков древнего человека и неандертальца разрешило ключевые загадки человеческой истории, изучение генетического состава растений за последние два столетия позволило исследователям наблюдать эволюцию в действии в меняющихся условиях.

"Генетические варианты, которые помогают растению преуспевать в современных сельскохозяйственных условиях, удивительно быстро достигли высоких частот после интенсификации сельского хозяйства в 1960-х годах", - сказала первый автор доктор Джулия Крейнер, постдокторант кафедры ботаники UBC.

Исследователи обнаружили сотни генов в геноме сорняка, которые способствуют его успеху на фермах, при этом часто появляются мутации в генах, связанных с засухоустойчивостью, быстрым ростом и устойчивостью к гербицидам. "Типы изменений, которые мы вносим в сельскохозяйственную среду, настолько сильны, что они имеют последствия в соседних местах обитания, которые мы обычно считаем естественными", - сказал доктор Крейнер.

Полученные результаты могут послужить основой для природоохранных усилий по сохранению природных зон в ландшафтах, в которых преобладает сельское хозяйство. Сокращение потока генов из сельскохозяйственных угодий и выбор более изолированных природных популяций для защиты могли бы помочь ограничить эволюционное влияние ферм.

Водохлебка обыкновенная произрастает в Северной Америке и не всегда была проблемным растением. Однако в последние годы искоренить сорняк на фермах стало практически невозможно благодаря генетическим адаптациям, включая устойчивость к гербицидам.

"В то время как уотерхемп обычно растет вблизи озер и ручьев, генетические сдвиги, которые мы наблюдаем, позволяют растению выживать на более сухих землях и быстро расти, вытесняя конкурирующие культуры", - сказала соавтор исследования доктор Сара Отто, профессор Университета Киллам в Университете Британской Колумбии. "Уотерхемп, по сути, эволюционировал, превратившись в сорняк, учитывая, насколько тщательно он был отобран для процветания наряду с сельскохозяйственной деятельностью человека".

Примечательно, что пять из семи устойчивых к гербицидам мутаций, обнаруженных в текущих образцах, отсутствовали в исторических образцах. "Современные фермы устанавливают строгий фильтр, определяющий, какие виды растений и мутации могут сохраняться с течением времени", - сказал доктор Крейнер. "Секвенируя гены растений, гербициды выделились как один из сильнейших сельскохозяйственных фильтров, определяющих, какие растения выживают, а какие погибают".

Растения Waterhemp, несущие любую из семи устойчивых к гербицидам мутаций, с 1960 года дают в среднем в 1,2 раза больше выживающего потомства в год по сравнению с растениями, у которых нет этих мутаций.

Устойчивые к гербицидам мутации также были обнаружены в естественных средах обитания, хотя и с меньшей частотой, что вызывает вопросы о стоимости этих адаптаций для жизни растений в несельскохозяйственных условиях. "В отсутствие применения гербицидов устойчивость может дорого обойтись растению, поэтому изменения, происходящие на фермах, влияют на пригодность растения в дикой природе", - сказал доктор Крейнер.

Сельскохозяйственные методы также изменились там, где в ландшафте встречаются определенные генетические варианты. За последние 60 лет сорная юго-западная разновидность все больше продвигалась на восток по всей Северной Америке, распространяя свои гены среди местного населения в результате их конкурентного преимущества в сельскохозяйственных условиях.

"Эти результаты подчеркивают огромный потенциал изучения исторических геномов для понимания адаптации растений в короткие сроки", - говорит доктор Стивен Райт, соавтор и профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Торонто. "Расширение этого исследования в масштабах и видах расширит наше понимание того, как сельское хозяйство и изменение климата способствуют быстрой эволюции растений".

"Понимание судьбы этих вариантов и того, как они влияют на растения в несельскохозяйственных, "диких" популяциях, является важным следующим шагом для нашей работы", - говорит профессор Джон Стинчкомб из Университета Торонто, соавтор исследования.