Forskere sporer kartoflernes oprindelse, lære om dets uudnyttede potentiale

Den komfortmad, vi kender og elsker i dag, da kartoflen blev tæmmet mellem 8. 000 og 10, 000 år siden fra en vild art hjemmehørende i Andesbjergene i det sydlige Peru. I løbet af det 16. århundrede, Spanske conquistadorer menes at have transporteret den robuste rodlignende grøntsag over Atlanten.

Nu, et team af forskere har kortlagt denne afstamning for at lære, hvordan kartoflen blev tæmmet, og hvordan dens DNA udviklede sig over tid.

"Vi sekventerede genomerne, eller den genetiske kode, af et spektrum af kartofler hjemmehørende i Sydamerika - Peru, Bolivia, og Ecuador, " sagde Richard Veilleux, leder af Institut for Havebrug i Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences og Julian og Margaret Gary Professor. "Du ser en regnbue af kartofler på kontinentet. Hvordan de bevægede sig og blev tæmmet, har været diskuteret i mange år."

Veilleux og hans kandidatstuderende, Parker Laimbeer, en doktorgradskandidat i havebrug fra Rappahannock, Virginia, samarbejdet med kolleger ved Michigan State University, herunder C. Robin Buell, professor i plantebiologi, og Michael Hardigan, en tidligere kandidatforsker og nu postdoktor ved University of California Davis, at gennemføre et plantegenomprojekt som svar på en finansieringsmulighed fra National Science Foundation. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Resultaterne øger vores forståelse af, hvordan kartoflen blev tæmmet, og hvilke gener der er vigtige. Vi har også identificeret potentielle gener, der kan forbedres i fremtiden og viste, hvordan high throughput genomsekventering giver nye værktøjer, " sagde Veilleux.

For at lære mere om denne afgrøde, den tredje vigtigste dyrket til direkte konsum, holdet undersøgte vilde og dyrkede arter, inklusive kartofler fundet på sydamerikanske markeder, indenlandske nordamerikanske sorter, og landløb, som er dyrkede kartofler analogt med arvestykkeracer.

Derefter, ved hjælp af moderne genomiske tilgange, forskerne søgte at give indsigt i genomisk mangfoldighed, at afsløre historiske hybridiseringsbegivenheder, og at identificere gener målrettet under domesticering, der kontrollerer variansen for landbrugsegenskaber - som alle er afgørende for fødevaresikkerheden.

"Det, der gør kartofler komplicerede, er, at de ikke avler sandt, sagde Veilleux. Hvis du planter frø, du får mindre, end du startede med."

En anden ændring, der fulgte med kartoffeltæmning, er reduceret pollenfrugtbarhed. Mens vilde arter skal være frugtbare for at sprede frø, dyrkede arter vokser fra knolde. Denne irrelevans atrofierede artens frugtbarhed, og effekten kunne observeres på genomisk niveau.

The Russet Burbank, en mutant af Burbank kartoflen, blev udgivet i år 1902. Hidtil har denne sort er fortsat den mest populære i USA, understreger en langvarig mangel på fremskridt inden for kartoffelavl.

Endnu, bestræbelser på bedre at forstå kartoflens genetiske sammensætning har været fyldt med udfordringer, ikke mindst er afgrødens vane med at opretholde fire kopier af hvert gen.

Veilleux og Laimbeer studerede kopiantal variation - flere kopier af gener i den samme organisme. Gennem avlsprocessen, flere kopier af en DNA-sekvens duplikeres eller slettes ikke kun i kartofler, men i alle plante- og dyrearter. Når en organisme bliver født, ændringer som følge af meiose producerer forskellige kopier af forskellige dele af genomet. Denne ufuldkomne proces giver mulighed for mutationer og ekstra DNA. Ekstra kopier af DNA kan være gavnlige i nogle tilfælde, fører til øget genetisk variation, og skadelig for andre, fører til sygdom.

"På grund af kartoflens genetiske kompleksitet, vi kunne ikke have udført denne forskning uden adgang til et sekventeret kartoffelgenom, " sagde Laimbeer. "Det sekventerede genom giver os mulighed for at sammenligne alle andre kartofler med denne plan."

Som det sker, Veilleux og Buell var en del af Potato Genome Sequencing Consortium bestående af næsten 100 videnskabsmænd, der sekventerede verdens første kartoffelgenom. Sekventering af kartoffelgenomet, udgivet i 2011, var baseret på tilgængeligheden af ​​en "doblet monoploid" kartoffel, kaldet DM, udviklet i Veilleux-laboratoriet. Knoldens relative genetiske enkelhed sammenlignet med kommercielle kartofler gjorde det lettere at sekventere ved hjælp af tilgængelig næste generations sekventeringsteknologi. DM-sekvensen fortsætter med at tjene som referencegenom for kartoffel.

"Vi justerede genomerne af hver kartoffel, vi studerede, til DM-kartoflen, " sagde Laimbeer. "Nu, vi kan se billedet på kassen, når vi sammensætter hvert kartoffelgenom-puslespil. Det giver mening."

Forskerholdets bidrag til en større forståelse af knoldens genetiske plan kan hjælpe avlere med at gå over til en vellykket avlsplan, der vil producere eftertragtede sorter. Kartoffelchipsindustrien, for eksempel, er meget selektiv med hensyn til, hvilke typer kartofler den bruger. De ultimative snackprøver kræver det perfekte stivelsesindhold for at producere den helt rigtige farve og tekstur, når de steges. Kartoflerne skal også have den rigtige form, med overfladiske øjne til at passere gennem flismaskiner.

Tak til Veilleux og Laimbeer, det bliver snart lettere at opdrætte den perfekte kartoffelchips eller at få adgang til ønskværdige egenskaber såsom øget sygdomsresistens hos vilde eller primitive arter. Eksisterende naturlige bestande, de tror, repræsentere en væsentlig kilde til uudnyttet adaptivt potentiale.

Pas på Russet Burbank, der kan snart være nye sorter, der konkurrerer om topkartoffel.