Спасение винограда от жары углядели в генах суккулентов

Растения из родов Cyphostemma и Cissus семейства Виноградовых после олигоцена сумели эволюционно адаптироваться к засухам и волнам жары: некоторые из них утратили усики, превратились в кустарники и даже стали суккулентами, хотя изначально обитали во влажных азиатских лесах. Обновленное знание их эволюции и использование генов устойчивости к экстремальным условиям может помочь в селекции и генной инженерии новых сортов культурного винограда, который в наши дни страдает от изменения климата. Об этом говорится в исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Plants.

Антропогенное изменение климата стало причиной кризиса виноделия, основные регионы которого сосредоточены в умеренных широтах. Для созревания винограда с высоким содержанием сахара нужен теплый летний сезон, но все более частые засухи и волны жары подвергают лозу риску. В некоторых районах, например, на юге Франции, ставится под вопрос возможность дальше содержать виноградники без искусственного орошения. Опасность представляют и лесные пожары, которые прямо сейчас, например, происходят неподалеку от виноградников Абрау-Дюрсо. В виноделии используется преимущественно один биологический вид — виноград культурный Vitis vinifera L., многолетняя селекция которого привела к появлению более чем восьми тысяч сортов.

Семейство Виноградовые (Vitaceae) включает почти тысячу видов, которые широко распространились по миру и обрели множество адаптивных признаков, при этом их эволюция остается относительно слабо изученной. Ученые под руководством Ю И Ченя (Yichen You) из Китайской академии наук провели филогенетический анализ 495 видов виноградовых, изучили стратегии их выживания и биогеографию. Для этого они провели секвенирование ДНК и выстроили последовательности с помощью программы MAFFT. Ареалы предков реконструировали в среде BioGeoBEARS.

Возраст семейства оценили почти в 93 миллиона лет: виноградовые появились в Азии в верхнем мелу и изначально обитали во влажных лесах. 23 миллиона лет назад, после прохождения границы между олигоценом и миоценом, эволюция у них постепенно начала преобладать над географическим расселением. Ученые связали это с изменением условий окружающей среды, особенно с изменением климата — произошло усиление муссонных систем, и восточноазиатский муссон усилил неоднородность среды обитания в Азии. Возникло множество изолированных, холодных и сухих местообитаний, которые стимулировали видообразование. В засушливых условиях возникало все больше двудомных видов (например, в родах Tetrastigma и Vitis), что способствовало росту генетического разнообразия и скорости эволюционной адаптации.

В дальнейшем виноградовые сталкивались и с жаркими засушливыми условиями, характерными для открытых местообитаний. В ответ на них некоторые виды — преимущественно в родах Cyphostemma и Cissus — смогли развить суккулентность и стали способны накапливать воду в тканях стеблей и листьев. Также виды, столкнувшиеся с частыми засухами, перешли от жизненной формы лиан к кустарникам и утратили усики: в условиях открытых местообитаний необходимость активно стремиться вверх к свету отпала.

Особенно высокую скорость эволюции в ответ на засухи авторы отметили у растений из рода Cyphostemma. Понимание их эволюционной адаптации и использование генов устойчивости поможет помочь в селекции и генной инженерии сортов винограда, более устойчивых к засухам и волнам жары, которые все чаще случаются в традиционных винодельческих регионах.

Изменение климата сказывается не только на культурном винограде, но и на всей биогеографии растений суши. Согласно недавнему прогнозу ученых, в будущем практически на 69 процентах экологических регионов будет расти доля однолетних растений, поскольку они оказались более стойкими к засухам и высоким температурам.