Et bittert mysterium:Forskere sekvenserer verdens ældste plantegenom fra 6.000 år gamle vandmelonfrø

I et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Molecular Biology and Evolution , har forskere fra Royal Botanic Gardens, Kew og partnere i Storbritannien, Tyskland og USA afkodet verdens ældste plantegenom ved hjælp af vandmelonfrø fra den neolitiske æra indsamlet på et arkæologisk sted i Sahara-ørkenen i Libyen.

Undersøgelsen kombinerede aspekter af arkæologisk grundarbejde med banebrydende genomisk forskning for at kaste nyt lys over domesticeringen af ​​vandmelonen, og hvordan vores forfædre konsumerede den populære frugts gamle slægtninge. Overraskende nok tyder beviser på, at de neolitiske libyere havde smag for vandmelonens frø - en lokal delikatesse, der stadig forbruges i dag - men undgik frugtens bittert smagende kød.

Det anslås, at mere end 200 millioner tons af den domesticerede vandmelon (Citrullus lanatus) produceres globalt hvert år, hvor afgrøden er blandt de 10 vigtigste i Centralasien. Det er almindeligt accepteret, at den rødkødede frugt stammer fra Afrika, hvor en nær slægtning (C. lanatus subsp. cordophanus) højst sandsynligt først blev tæmmet i Nildalen og det, der er nutidens Nordsudan. Men opdagelsen i begyndelsen af ​​1990'erne af formodede vandmelonfrø på det neolitiske sted Uan Muhuggiag i Libyen fortsatte med at undre videnskabsmænd.

For bedre at forstå vandmelonens rejse fra vild plante til domesticeret afgrøde indsamlede og analyserede forskerne snesevis af vandmelon- og vandmelon-slægtninges frø fra RBG Kews Herbarium-samlinger. De opnåede og studerede også frøfossiler fra Libyen og Sudan, radiocarbon dateret (C-14) til henholdsvis mere end 6.000 og 3.000 år siden.

Dr. Susanne S. Renner ved Washington University i St. Louis, som sammen med Dr. Guillaume Chomicki ved Sheffield University, ledede undersøgelsen, sagde:"Frømorfologi, især af gamle frø, var simpelthen utilstrækkelig til pålideligt at identificere, hvilke arter de neolitiske bosættere i Libyen brugte."

Forskerne var i stand til at løse mysteriet, da de analyserede frøens genom og genfandt lange strækninger på tværs af alle kromosomer - muligvis det ældste genom, der nogensinde er registreret så detaljeret fra en plante, hvis alder er blevet bekræftet ved hjælp af radiocarbondateringsanalyser. De sekventerede også genomerne fra snesevis af vandmelonprøver i Kew's Herbarium-samlinger, hvoraf nogle først blev indsamlet i det tidlige 19. århundrede.

Undersøgelsens resultater indikerer, at de neolitiske libyere indsamlede eller endda dyrkede en bittersmagende vandmelonart i stedet for den sødsmagende afgrøde i dag. Denne nye indsigt var i overensstemmelse med tandmærker fundet på nogle af de ældste frø indsamlet i Sudan af Dr. Philippa Ryan, en postdoc-forsker ved Kew og medforfatter af undersøgelsen.

Forud for analysen af ​​genomet var forskerne ikke i stand til at skelne de libyske prøver fra de andre syv kendte arter i Citrullus-slægten. Deres molekylære resultater viser nu, at frøene kom fra en vandmelon-slægtning kendt som Egusi-vandmeloner (Citrullus mucosospermus) fra Vestafrika. Disse frugter er bitre og uspiselige, når de spises rå på grund af den kemiske cucurbitacin i deres kød og høstes i stedet for deres frø, som bruges i vestafrikanske gryderetter og supper, der i størrelse og smag svarer til græskarkerner.

Ryan sagde:"Det er en stor overraskelse at opdage, at i stedet for at være en gammel vandmelon, var det libyske frø en helt anden domesticeret Citrullus, mens det sudanesiske frø fra faraonperioden havde kerne-DNA fra både den bitre Egusi, men også fra den søde vandmelon. Dette tyder på, at der inden for en senere tidsramme blev dyrket en interessant blanding af domesticerede Citrullus-varianter langs Nildalen for deres frø – sammen med formentlig den søde vandmelon."

Ved bedre at forstå den genetiske sammensætning af disse ældgamle frugter håber forskerne at tegne et klarere billede af vandmelonens domesticering. Men forskningen har også mere vidtrækkende og moderne implikationer. At kortlægge udvekslingen af ​​gener gennem årtusinder kan hjælpe videnskabsmænd med at udpege gunstige genetiske egenskaber, der styrker modstandsdygtigheden over for tørke, sygdomme og skadedyr.

Dr. Oscar A Perez Escobar, forskningsleder i Kews Integrated Monography Team og førsteforfatter, sagde:"Det er en bemærkelsesværdig præstation at have lært så meget om disse gamle frøs hemmelige tidligere liv gennem deres DNA. Uden denne genetiske kode, som vi formåede at opnå meget detaljeret, kunne vi ikke have opdaget, at en stor del af disse frøs DNA kan spores til Egusi-græskar (C. mucospermus) og ikke sød vandmelon. En anden slående åbenbaring leveret gennem deres DNA er, at disse gamle frø Egusi vandmelon hybridiserede og udvekslede sandsynligvis gener med søde vandmeloner for tusinder af år siden, selvom det stadig er ukendt for os retningsbestemtheden af ​​en sådan genstrøm."

Undersøgelsen er udført i samarbejde med Dr. Guillaume Chomicki ved Sheffield University og professor Susanne S. Renner ved Washington University i St. Louis, samt Antonelli Lab-forskergruppen, eksperter i evolutionsbiologi og biogeografi.

Perez Escobar sagde:"Vores undersøgelse er et godt eksempel på, hvad plantesamlinger, der repræsenterer tusinder af års evolutionær og kulturhistorie, kan gøre, når de bruges i tværfaglig forskning. Dataressourcerne, vi genererede, og vores opdagelse af forholdet mellem Egusi og søde vandmeloner har opretholdt i årtusinder, der involverer udveksling af gener gennem generationer, er af interesse for afgrødeforbedringsprogrammer for søde vandmeloner, når der søges efter særlige gener, f.eks. resistens mod sygdom og skadedyr." + Udforsk yderligere

Snusket, ikke sødt:Gamle melongenom fra Libyen giver overraskende indsigt i vandmelon-slægtning