Цитрусові пристрасті: вчені проаналізували родовід апельсина, лимона та мандарина

Рід Citrus та родичі цитрусові (Fortunella, Poncirus, Eremocitrus і Microcitrus) утворюють окрему підродину Aurantioideae у складі Рутових (Rutaceae). Ці гарні рослини та подекуди смачнючі ласощі можна зустріти від західного Пакистану до північно-центрального Китаю, їхній ареал охоплює Східно-Індійський архіпелаг, Нову Гвінею і архіпелаг Бісмарка, Північно-Східну Австралію, Нову Каледонію, Меланезію та західні Полінезійські острови.

Оселища, які придатні для зростання цитрусів трапляються по всій території їхнього ареалу, хоча географічне походження, час та особливості поширення цих видів у Південно-Східній Азії залишаються загадками. Основною перешкодою для їх вирішення є наше погане розуміння родоводу цитрусових, особливо його гібридів, які широко представлені у культурі. Мова йде про апельсини, лайми, лимони, грейпфрути та інші види.

Тому не дивно, що нинішня хаотична класифікація цитрусових, яка заснована на давніх, суперечливих даних вимагає серйозної перевірки та переробки.

Для вивчення генетичного різноманіття та еволюційної історії цитрусових міжнародна команда вчених на чолі з Альбертом Ву проаналізувала геноми з 58 цитрусових та 2 неспоріднених популяцій з родів  Poncirus і Severinia (так звані – аутгрупи). Дослідники використали усі попередні дані з розшифрування геномів, але також додали до них 30 власних  сіквенсів. Їхня колекція може похвалитися даними по 8 раніше не досліджених видах, таких як негібридні мандарини (Citrus reticulata), цитрон (рука Будди) (Citrus medica), Citrus micrantha (дикий вид з підроду Papeda), кумкват (Fortunella margarita, також відомий як Citrus japonica var. margarita) і Citrus ichangensis (також відомий як Citrus cavaleriei, цей вид також розглядається у підроді Papeda). Науковці не обійшли увагою також і  три види австралійських цитрусових. Серед кожного виду обиралися лише расово вірні особини без ознак міжсекційних схрещувань.

Результат пошуку зображень за запитом "Citrus medica"
Цитрон або як ще його називають “що за лимон Ви мені підсунули?”. Джерело: UTP

Результати аналізу отриманих послідовностей показали міжвидовий гібридний характер рангпура (лимандарина) та червоного лимона (двох різних гібридів мандарин-цитрон), лайма (гібрид Citrus micrantha та цитрона) та каламондина (гібрид кумквата та мандарина).

Лимандарин роздумує над тим, на який з батьківських видів він більше схожий. Джерело: Amada44

Генетичні дані підтвердили походження грейпфрута (гібрид помело та апельсина), лимона (виник від змішування помаранча (бігардії) та цитрона) та ериморанжа (гібрид апельсина та Eremocitrus glauca).

Вчені також перевірили походження мандело (коктейльного грейпфруту), від слабокислого помело з материнського боку та гібрида двох сортів мандаринів з батьківської сторони. Походження апельсина Ambersweet теж підтверджується. Це гібрид мандарина та апельсиново-клементинового гібрида.

Як і стверджувалось раніше, бігардія або помаранч (Citrus aurantium) – це гібрид помело та мандарина. У геномі апельсина взагалі коїться казна-що! Вчені проаналізували послідовності 10 сортів Citrus sinensis й виявились, що всі вони походять від одного предкового генома, які утворилися в результаті низки соматичних мутацій.

Дослідники ідентифікували десять похідних цитрусових видів. Трьома фундаментальними цитрусовими видами виявились цитрони (C.medica), мандарини (C. reticulata) та помело (Citrus maxima).  Аналіз  підтвердив, що лимони, лайми, апельсини та грейпфрути – це гібриди, які включають ці три види.

Гібридні види (каломондин, лимони та неавстралійські лайми) з походженням від двох або більше видів цитрусових легко виявляються на основі їхньої вищої гетерозиготності (1,5-2,4%) щодо внутрішньоспецифічного розмаїття (0,1-0,6%).

Інші цитрусові гібриди показують двовершинний розподіл гетерозиготності (солодкий апельсин, грейпфрути та деякі дуже гетерозиготні мандарини) внаслідок міжвидової гібридизації, процесу який зазвичай включає складні зворотні схрещуванння.

Серед чистих генотипів без міжвидових домішок, цитрони демонструють значно нижчу внутрішньовидову мінливість (близько 0,1%), ніж інші види (0,3-0,6%). Знижена гетерозиготність цитронів, мабуть, пов’язана з клейстогамією. Квітки настільки самозакохані, що запилюються ще до відкриття квіток під час фази бутона.

Figure 1
a, Багатофакторний аналіз 58 геномів цитрусових. Виокремлюються три основні цитрусові групи (цитрони, помело та мандарини) з міжвидовими гібридами (апельсинами, грейпфрутами, лимонами та лаймами), розташованими у проміжних положеннях щодо їх батьківських генотипів. b, розподіл гетерозиготності в 58 груп цитрусових, що представляють 10 таксономічних груп, а також 2 аутгрупи, Poncirus (Poncirus trifoliata, також відомий як Citrus trifoliata) та (Severinia). c, Хронограма видоутворення цитрусових. Очевидні дві чіткі і тимчасово добре розділені фази: цитрусова радіація (ніяких рентгенів, просто інтенсивне утворення нових форм у межах певного таксону) у Південно-Східній Азії, а потім видоутворення австралійських цитрусових. Калібрування часу грунтується на цитрусових рештках C. linczangensis від пізнього міоцену (позначено червоним кружечком). d, Пропоноване походження цитрусових та стародавніх маршрутів розселення. Стрілки пропонують правдоподібні міграційні напрямки цитрусових видів з центру походження – трикутника, утвореного Північно-Східною Індією, північною М’янмою і північно-західним Юньнанем (провінція Китаю). Ця пропозиція є сумісною з біогеографією цитрусових, філогенетичними зв’язками, передбачуваним терміном диверсифікації та палеогеографією регіону, особливо геологічною історією. Червона зірка позначає місце знахідки C. linczangensis. Зображення цитрусових плодів в c та d не масштабовані.

Визначення набору чистих цитрусових видів дає нове розуміння філогенії цитрусових, їх походження, еволюції та розповсюдження. Родовід апельсинових родичів є суперечливим, частково через складність виявлення чистих чи диких видів роду через значну міжвидову гібридизацію. Нова філогенія, заснована на аналізі ядерного геному, показує, що цитрусові є монофілетичною групою і встановлює чіткі зв’язки між його родами. Примітно, що філогенія, отримана від ядерного геному, відрізняється від філогенії, отриманої на основі даних по хлоропластному геному у деталях. Це не є несподіваним, оскільки ДНК хлоропласту являє собою єдину, нерекомбінаційну одиницю і навряд чи буде чутливою до швидкого видоутворення унаслідок гібридизації.

Цитрусові виникли в Південно-Східній Азії. На це прозоро натякають їхнє високе видове різноманіття у цьому регіоні та кліматичні умови, що існували тут. Викопні рештки пізньої міоценової епохи в провінції Китаю Юньнань описані як вид Citrus linczangensis. Цей вид має риси, характерні для нинішніх основних  груп цитрусових. Все говорить про те, що це спільний предок сучасних  цитрусових, що існував уже 8 мільйонів років тому.

Команда вчених говорить про те, що 6-8 мільйонів років тому відбулося швидке становлення азійських цитрусових. Цей період співпав з послабленням мусонів та вираженим кліматичним переходом від вологих до сухих умов. У Південно-Східній Азії ця помітна зміна клімату спричинила значні зміни в біоті, включаючи міграцію ссавців та швидке видоутворення у ряду родів рослин.

Австралійські цитрусові формують особливу гілку у родоводі. Дані молекулярних досліджень та філогенетичний аналіз  не підтримують австралійське походження для цитрусових. Швидше за все, вони поширились з Південно-Східної Азії в Австралію. Аналіз геному показує, що австралійські види формувалися в епоху раннього пліоцену, близько 4 мільйнів років тому.

Найбільш близьким у порівнянні з австралійськими цитрусовими є кумкват (Fortunella). Цитрусові предки, імовірно, мігрували через лінію Уоллеса, природний бар’єр для розповсюдження видів з Південно-Східної Азії до Австралійської Азії, а потім адаптувалися до цього різноманітного клімату.

Результати також показують, що мандарин Тачибана (Citrus tachibana), який природно зустрічається на Тайвані, архіпелазі Рюкю та в Японії, відколовся від материкових азійських  мандаринів  протягом раннього плейстоцену (близько 2 мільйонів років тому). Льодовикові максимуми цієї епохи сприяли формуванню мостів суші у результаті падіння рівня води Південно-Китайського моря.

Хоча мандарин тачибана був описаний як окремий вид (Citrus tachibana), аналіз послідовностей ДНК показує, що він має тісну спорідненість зі звичайним мандарином  C. reticulata . Проте філогенія за хлоропластним та ядерним геномом сказала, що тачибана це щось одне, а материкові мандарини це щось інше. Скоріш за все невдовзі статус мандаринів тачибана понизять до підвидового.

Саса широколиста взимку
Мандарин тачибана переживає через пониження свого статусу до підвидового. Джерело: Degueulasse

На відміну від цього дикий манганський мандарин (Citrus mangshanensis) являє собою чітко відокремлений окремий вид. Політипісти можуть йти геть з повішеним носом!

Скільки помело в твоєму мандарині?

Використовуючи дані послідовностей геному цитрона, помело та мандарина, вчені виявили гібридогенне утворення 46 ліній цитрусових. ДНК помело зустрічається у всіх цих групах, окрім 5 з 28 досліджених зразків мандаринів. А відповідно до ролі помело у становленні мандаринів їх усіх можна розділити на 3 групи.

Figure 2
А. Алельні пропорції п’яти предкових цитрусових видів у 50 популяціях. CI – це цитрон (C. medica); FО – кумкват (Fortunella); МА – vfylfhby, C. reticulata; MC – Цитрус дрібноквітковий (C. micrantha); PU – помело (C. maxima); UNK – вчені без поняття звідки це взялося. Помело та цитрон це чисті види цитрусових. Відповідно до участі помело в геномі мандаринів їх можна розділити на три групи – чисті (тип-1) і змішані (тип-2 і -3) мандарини. Б. Родинне дерево основних цитрусових генотипів. П’ять предукових видів показані зверху. Блакитні лінії представляють собою прості схрещування між двома батьківськими генотипами, тоді як червоні лінії являють собою більш складні процеси, що включають декілька осіб, покоління та / або зворотніх схрещувань. У той час як мандарини типу 1 є чистими видами, мандарини типу 2 (ранні домішки) містять невелику кількість суміші помело, які можна простежити до предкового помело (з гаплотипами P1 або P2). Пізніше додаткові проникнення геному помело в мандарин типу 2 створили як мандарини типу 3 (пізні гібриди), так і апельсин. Подальше схрещування між солодким апельсином і мандаринами призводять до створення сучасних мандаринів. Фруктові зображення не мають масштабу і представляють найпопулярніші типи цитрусів.

Мандарини типу 1 представляють собою чисті C. reticulata без доказів міжвидової гибридизації і включають Тачибану та три безіменні лінії китайських мандарин (M01, M02, M04) і стародавній китайський сорт Сунь Чу Ша Кат, виведений ще у 1178 році.  Шістнадцять з двадцяти восьми мандаринів належать до мандаринів типу 2, які мають невелику кількість домішок помело (1-10% від всього геному). У решти семи ліній мандаринів (тип-3) містяться більше фрагментів геному помело (12-38%).

Приручити мандарини та апельсини

Одомашнення цитрусів почалося з відбору самозапильних гібридних особин. Додаткова різноманність виникала через відбір особин із соматичними мутаціями.

Гібридизація з помело корелювала з розміром та рівнем кислотності фруктів. Розміри плодів мандаринів, апельсинів, грейпфрутів демонструють сильну позитивну кореляцію з відносною кількістю генома помело у їхньому складі. На додаток до розміру фруктів, основним водієм одомашнення плодів є смакові якості. У мандаринів смакові властивості, пов’язані з проникненням геному помело у головний локус на початку хромосоми 8. Жоден з чотирьох відомих кислих мандаринів, не демонструє домішок помело у цій частині геному.  Таким чином ця ділянка в хромосомі тепер стане популярним об’єктом втручань для селекіонерів. До речі, саме в ній знаходиться ген, який кодує мітохондріальну NAD + -залежну ізоцитратдегідрогеназу (IDH), яка регулює синтез лимонної кислоти.

Nature volume 554, pages 311–316 (15 February 2018)
doi:10.1038/nature25447