Jul 29, 2023
La genomica del monococco fa luce sulla storia del più antico grano domestico
Natura (2023) Cita questo articolo 6925 Accessi 193 Altmetric Metrics dettagli Il monococco (Triticum monococcum) fu la prima specie di grano addomesticata e fu fondamentale per la nascita dell'agricoltura e dell'agricoltura.
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Il farro monococco (Triticum monococcum) fu la prima specie di grano addomesticata e fu fondamentale per la nascita dell'agricoltura e della rivoluzione neolitica nella Mezzaluna Fertile circa 10.000 anni fa1,2. Qui generiamo e analizziamo gruppi di genomi da 5,2 Gb per farro selvatico e domestico, inclusi centromeri completamente assemblati. I centromeri di Einkorn sono altamente dinamici e mostrano prove di spostamenti centromerici antichi e recenti causati da riarrangiamenti strutturali. L’analisi di sequenziamento dell’intero genoma di un pannello di diversità ha scoperto la struttura della popolazione e la storia evolutiva del farro monococco, rivelando modelli complessi di ibridazioni e introgressioni dopo la dispersione del farro monococco addomesticato dalla Mezzaluna Fertile. Mostriamo anche che circa l'1% del sottogenoma A del grano tenero moderno (Triticum aestivum) proviene dal monococco. Queste risorse e scoperte evidenziano la storia dell’evoluzione del monococco e forniscono una base per accelerare il miglioramento assistito dalla genomica del monococco e del grano tenero.
Il farro monococco (T. monococcum) è stata la prima specie di grano addomesticata dall'uomo circa 10.000 anni fa nella Mezzaluna Fertile, una regione del Vicino Oriente spesso definita la Culla della Civiltà1,2. Il farro selvatico era un ingrediente dei più antichi prodotti simili al pane conosciuti, preparati dai cacciatori-raccoglitori nell'odierna Giordania quattro millenni prima dell'alba dell'agricoltura3. Il monococco ha avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo dell'agricoltura nella Mezzaluna Fertile ed è l'unica specie di frumento diploide (2n = 2x = 14, genoma AmAm) di cui esistono sia forme selvatiche che domestiche. Una notevole differenza morfologica tra il monococco selvatico e quello domestico è il sistema di dispersione dei cereali. Il monococco selvatico ha un rachide fragile che facilita la dispersione dei semi, mentre il rachide del monococco domestico non è fragile4. Il monococco è strettamente imparentato con Triticum urartu, il donatore del genoma A del grano duro tetraploide (Triticum durum) e del grano tenero esaploide (T. aestivum)5. A differenza di T. urartu, il monococco selvatico e quello domestico hanno una lunga storia di coltivazione e selezione umana in diverse condizioni ambientali, il che rende il monococco una preziosa fonte di variazione genetica per la selezione del grano. Sono state descritte molteplici introgressioni di farro monococco naturale e artificiale nel grano tenero contenente geni importanti dal punto di vista agricolo6,7,8,9,10. Le analisi genetiche della popolazione indicano che il monococco selvatico si raggruppa in tre gruppi distinti (razze α, β e γ) e indicano una regione intorno ai monti Karacadağ nella Turchia sud-orientale come sito di addomesticamento del monococco11,12,13,14,15,16,17 .
Qui stabiliamo e analizziamo un insieme completo di risorse genomiche per il monococco, inclusi gruppi di riferimento su scala cromosomica annotati de novo di un'accessione di monococco selvatico e uno addomesticato, nonché il sequenziamento dell'intero genoma di un pannello di diversità del monococco. I nostri risultati svelano la complessa storia evolutiva del monococco e offrono approfondimenti sulla dinamica del genoma delle Triticeae, inclusa la struttura del centromero, stabilendo risorse preziose che aumentano gli strumenti genomici per il miglioramento del grano.
Abbiamo generato gruppi di riferimento di due accessioni di monococco utilizzando una combinazione di sequenziamento del consenso circolare PacBio18, mappatura ottica19 e cattura della conformazione cromosomica20 (Tabella dati estesi 1, Tabella supplementare 1 e Figura 1 supplementare). TA10622 è una varietà autoctona di monococco domestico (T. monococcum L. subsp. monococcum) con rachide non fragile che è stata raccolta in Albania all'inizio del XX secolo. L'accessione del monococco selvatico TA299 (T. monococcum L. subsp. aegilopoides; razza α) è stata raccolta durante una spedizione nel 1972 nel nord dell'Iraq21 e presenta un rachide fragile. L'integrità dell'assemblaggio è stata verificata utilizzando una mappa genetica del farro (Tabelle supplementari 2 e 3). Abbiamo osservato un alto grado di collinearità tra i due set di pseudomolecole (Fig. 1 e Figura 2 supplementare) e tra i due gruppi di farro e il sottogenoma A del grano tenero (Figura 3 supplementare). Le eccezioni più evidenti sono state i riarrangiamenti ben descritti del cromosoma 4A del grano tenero, che ha subito inversioni e traslocazioni nel grano poliploide22. Abbiamo annotato 32.230 e 32.090 modelli genici ad alta fiducia sulle 7 pseudomolecole di TA299 e TA10622, rispettivamente (punteggi BUSCO del 99,2% per TA299 e 99,4% per TA10622) (Tabelle supplementari 4 e 5).