В 1793 году капитан Уильям Блай пришвартовал корабль "Провиденс" в Кингстауне на Сент-Винсенте и Гренадинах, небольшом островном государстве в Карибском море, с грузом, состоящим из нескольких сотен саженцев хлебного дерева. Его цель была единственной: Вырастить долговечные деревья с их богатыми углеводами плодами, чтобы дешево накормить британских рабов, которые трудились на сахарных плантациях острова.

Теперь, 230 лет спустя, группа специалистов по биологии растений под руководством Северо-Западного университета, Чикагского ботанического сада и Ботанического сада Сент-Винсента впервые проследила пять основных линий карибского хлебного дерева до той единственной интродукции во время плавания Блая.

Исследователи обнаружили, что оригинальные сорта хлебного дерева (или сорта, выведенные путем селекции) не только сохранились на протяжении веков, но и процветают.

Результаты исследования будут опубликованы 5 января 2023 года - в 230-ю годовщину прибытия Блига в Карибский бассейн - в журнале Current Biology.

"Хлебное дерево - недостаточно используемая культура, и ему не уделяется столько внимания, сколько основным культурам", - говорит Найри Зерега, старший автор исследования. "Однако интерес к хлебному дереву растет во всем мире, и мы подумали, что это будет увлекательная загадка для разгадки".

"За пределами Океании Карибский бассейн является одним из крупнейших производителей хлебного дерева в мире", - добавила Лорен Ауди, первый автор исследования. "И мы действительно мало знаем о генетическом разнообразии этого фрукта в Карибском бассейне. Поскольку это важная культура для продовольственной безопасности - особенно для островных государств, которые сильно подвержены изменениям климата, - мы хотели охарактеризовать генетическое разнообразие плодов хлебного дерева, чтобы сохранить их. Первый шаг для этого - охарактеризовать разнообразие того, что у нас уже есть".

Эксперт по хлебным плодам, Зерега является директором Программы по биологии и сохранению растений, партнерства между Северо-Западным колледжем искусств и наук Вайнберга и Чикагским ботаническим садом, а также ученым по сохранению растений в Институте Негауни по науке и действиям по сохранению растений при Чикагском ботаническом саду. Во время проведения исследования Ауди была аспиранткой в лаборатории Зереги. Сейчас она работает заведующей лабораторией в Институте сравнительной геномики Саклера при Американском музее естественной истории в Нью-Йорке и является кандидатом наук в Нью-Йоркском университете.

Хлебный фрукт на "Баунти"

Многие знают капитана Блая по "Мятежу на Баунти", классической серии книг и фильму с Кларком Гейблом в главной роли, в котором было вымышлено это трудное путешествие и конечный провал миссии. (Позднее фильм был дважды переснят - с Марлоном Брандо в 1962 году и Энтони Хопкинсом в 1984 году).

На борту судна британского королевского флота под названием "Баунти" капитан Блай и его команда остановились на Таити, где вместе с местными жителями собирали хлебное дерево. Целью было введение хлебного дерева в качестве дешевой пищи для рабов, вынужденных работать на британских плантациях на Карибских островах. Но эти планы были внезапно отменены в апреле 1789 года, когда команда "Баунти" захватила контроль над кораблем, выбросив Блая и 18 его верных сторонников за борт.

Однако Блай выжил и остался верен первоначальной цели - сбору и транспортировке хлебного дерева. Всего два года спустя он снова отправился в плавание - на этот раз на корабле "Провиденс" с сопровождающим судном "Ассистент". Хотя Блай записал названия восьми видов хлебного дерева в своем журнале для "Баунти", в журналах "Провиденса" эти важные детали отсутствуют.

Когда вы смотрите на журналы с "Баунти", Блай тщательно документировал то, что было собрано", - сказал Зерега. "Но во время его второго плавания время, проведенное на Таити, было короче, и там не было никаких записей о названиях сортов хлебного дерева, которые они действительно собрали. Он указал, что было собрано пять видов бессемянных плодов хлебного дерева, но последующие исторические тексты предлагают другое количество. Желание узнать это - отчасти любопытство, но это также полезно, поскольку связывает межкультурные знания о растениях".

Генетические проблемы

Отсутствие исторических записей из Провидения - не единственная причина, по которой характеристика генетического разнообразия плодов хлебного дерева в Карибском бассейне оказалась сложной. Существует несколько генетических проблем. Во-первых, бессемянные плоды хлебного дерева являются триплоидными. Другими словами, они имеют три копии хромосом, а не две (диплоидные), что встречается чаще. Существует не так много генетических инструментов, предназначенных для анализа триплоидов, по сравнению с диплоидами.

Триплоидные хлебные деревья также не способны размножаться половым путем и могут выжить только при условии клонового размножения. Так поступают со многими культивируемыми фруктовыми деревьями - даже с теми, которые могут размножаться половым путем - для обеспечения контроля качества.

"Когда вы кусаете яблоко Honey Crisp, вы ожидаете другого вкуса и текстуры, чем у McIntosh", - объясняет Зерега. Клональное размножение гарантирует, что вы получите то, что ожидаете". Когда растения развивают семена путем полового размножения, они дают вариации в потомстве - точно так же, как вариации между братьями и сестрами человека".

Однако за тысячи лет клонального размножения все еще могут возникать вариации из-за соматических мутаций, которые являются мутациями в нерепродуктивных клетках дерева. Соматические мутации могут возникать спонтанно, в результате стресса или ошибок при восстановлении ДНК. В поисках лучших плодов люди иногда выбирают ту часть растения, где произошла соматическая мутация, и размножают ее. Так, если мутация привела к появлению нового желаемого вида листьев или плодов, люди могут срезать ветку, на которой произошла мутация, размножить ее и, по сути, клонировать эту новую мутацию, чтобы снова вырастить дерево с желаемым плодом.

Какая бы мутация ни привела к изменению, она может быть очень крошечной, и ее трудно определить генетически. Обнаружить различия в ДНК разных клональных линий (то есть линий, возникших из разных исторических "материнских" деревьев) гораздо проще, чем различия, вызванные мутациями внутри одной и той же клональной линии. Тем не менее, все бессемянные сорта хлебного дерева довольно похожи друг на друга, что затрудняет генетическую характеристику различных сортов.

Наконец, как внутри островных групп Тихого океана и Карибского бассейна, так и между ними, люди используют множество различных названий для тех сортов, которые иногда кажутся одинаковыми. Это вносит дополнительную путаницу при описании разнообразия.

Соединение частей

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи использовали целый ряд инструментов. Они объединили местные знания с историческими документами и образцами, морфологическими данными (наблюдения за размером, формой и текстурой плодов) и целевым секвенированием генома.

В сотрудничестве с Ботаническим садом Сент-Винсента, Министерством туризма Сент-Винсента и Управлением национальных парков, рек и пляжей Сент-Винсента члены исследовательской группы совершили поездку по всему Сент-Винсенту. Они собирали листья и проводили измерения, такие как размер листьев, размер и форма плодов. Затем они дополнили эти образцы историческими высушенными прессованными образцами, хранящимися в гербариях музеев и ботанических садов по всему миру, в том числе образцом, собранным в 1769 году во время плавания корабля "Индевор" под командованием капитана Джеймса Кука.

Вернувшись в лабораторию Чикагского ботанического сада, исследователи проанализировали более 200 отдельных образцов хлебных плодов, сосредоточившись преимущественно на бессемянных хлебных плодах из Сент-Винсента и Таити, а также на образцах со всего мира. Процесс включал извлечение и секвенирование ДНК из образцов листьев. Среди этих образцов исследователи в конечном итоге определили восемь основных глобальных линий хлебного дерева - пять из них встречаются в Карибском бассейне и, вероятно, представляют собой первоначальную интродукцию 1793 года с корабля HMS Providence.

"Это захватывающий проект", - сказала Дайана Рагоне, почетный директор Института хлебного дерева в Национальном тропическом ботаническом саду на Гавайях, соавтор исследования и бывший советник Зереги. Благодаря лабораторным, гербарным и библиотечным исследованиям, полевым работам на Таити и Карибах, а также изучению деревьев хлебного дерева, хранящихся в Национальном тропическом ботаническом саду на Гавайях, три поколения женщин-ученых смогли дать ответ на многовековую загадку: "Какие сорта хлебного дерева завез капитан Блай на Карибы?".

Исходя из предыдущей работы Зереги и других авторов, существует гораздо больше глобальных родословных хлебного дерева, если учесть огромное разнообразие семенных сортов из Океании. Нынешнее исследование было посвящено в основном бессемянным сортам хлебного дерева.

"Мы выявили пять генетических линий в Карибском бассейне, что совпадает с тем, что мы нашли в некоторых исторических текстах", - сказал Ауди. "Было интересно разделить эту историю и впервые геномно охарактеризовать разнообразие хлебного дерева в Карибском бассейне".

"Тем не менее, в Сент-Винсенте может быть больше видов хлебного дерева, чем мы смогли определить с помощью генетических методов, потому что они так тесно связаны между собой", - сказал Зерега. "Даже если мы не найдем генетических различий между растениями, которым люди дают разные названия, эти названия все равно имеют значение и ценность".

Значение хлебного плода

Хотя хлебное дерево имело темную историю на Карибах в качестве пищи для рабов, этот питательный фрукт со временем стал важной частью диеты и культуры острова. Несмотря на слово "фрукт" в своем названии, хлебный фрукт является крахмалистым и бессемянным, играя кулинарную роль, скорее, как картофель. Близко родственный джекфруту, этот богатый питательными веществами продукт содержит большое количество клетчатки, витаминов и минералов. В родной Океании, где хлебное дерево было одомашнено, люди едят хлебное дерево уже тысячи лет - приготовленное на пару, запеченное, жареное или ферментированное. Хлебное дерево также можно превратить в муку, чтобы продлить срок его хранения.

После посадки одно дерево хлебного дерева может жить десятилетиями, принося большое количество плодов каждый год. Кроме того, поскольку это многолетняя культура, она требует меньше затрат энергии (воды и удобрений), чем однолетние культуры, которые необходимо пересаживать каждый год. Как и другие деревья, она также поглощает углекислый газ из атмосферы.

"Продовольственная безопасность и продовольственный суверенитет следующего тысячелетия заключаются в бесконечных неиспользованных возможностях хлебного дерева", - сказал Гордон Дж.П. Шэллоу, соавтор исследования, который на момент его проведения был куратором Ботанического сада Сент-Винсента.

Ранее в этом году Зерега и климатологи Северо-Западного университета стали авторами другого исследования (опубликованного в журнале PLOS Climate), которое показало, что хлебное дерево особенно устойчиво перед лицом антропогенного изменения климата. Хотя другие основные культуры испытывают трудности в жарких условиях, исследователи прогнозируют, что изменение условий будет оказывать меньшее влияние на хлебное дерево. Это означает, что он может сыграть важную роль в борьбе с голодом, вызванным изменением климата.

Исследование называется "Связывание названий сортов хлебного дерева по всему миру соединяет истории после 230 лет разделения".