Wageningen, The Netherlands
April 28, 2025
A new study, seen in Nature Genetics and led by researchers at King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi Arabia and Wageningen University & Research (WUR) in the Netherlands, provides new insights on rice evolution, showing how the DNA of this valuable crop has changed across species. The findings are expected to not only help with improving rice yields but also with the introduction of rice into regions where rice production is currently untenable.
Rice is one of the first domesticated crops (approximately 10,000 years ago). The artificial selection farmers have made for nutrition and other traits that maximize profit have reduced its genetic diversity and thus its resilience to environmental stresses.
Wild relatives can adapt better
On the other hand, the wild relatives of rice (i.e. Oryza), have experienced some 15 million years of evolution, which has given these relatives a remarkable array of genetic variation across their genomes (all the DNA in an organism) and thus an ability to adapt to all sorts of environmental conditions, like heat, drought, and salinity.
"The genus Oryza has an incredibly rich collection of genomes. We were able to explain the consequences of the evolution on the collective genomes of rice and its wild relatives," explained KAUST Prof. Rod Wing, who led the study along with his postdoctoral research associate, Alice Fornasiero.
Plants are polyploid
Humans are diploid, meaning they inherit two sets of chromosomes—one from each parent. Anything more or less can be fatal. Plants can be polyploid, meaning they can receive multiple sets of chromosomes from their parents. These extra sets result in a larger genome that can facilitate adaptation to new or stressful environments and the evolution of novel traits and even new species.
The study examined nine tetraploid and two diploid wild relatives of rice. The researchers found that the species could be distinguished by subsets of the genomes. These differences were mostly due to transposable elements, also known as jumping genes because they are DNA sequences that move from one location in the genome to another and a common natural means for creating genetic diversity.
Additionally, the existence of diploid and tetraploid species resulted in genomes that varied more than twice in size. In some of this massive DNA were genes that have strengthened the robustness of the plant against hotter temperatures, drier and saltier soil, and other environmental stresses common to the Middle East and increasing worldwide with climate change.
Evolutionary tree
The study was also able to determine the evolutionary tree of wild rice, showing when new species emerged. This history offers clues for when rice underwent significant stress that stimulated genomic changes for the plant to endure.
"The genome analysis of this work provides a comprehensive understanding of how rice and its complex wild relatives have evolved. This work offers a comprehensive framework for future efforts for developing robust rice crops that can potentially withstand harsh environments," said Wageningen University Professor Eric Schranz, who also contributed to the study.
With more than 3.5 billion people relying on it as the main staple of their diet, rice is one of the most important food crops in the world.
Geheimen van rijstgenetica blootgelegd: mogelijkheden voor duurzamere rijstteelt en behoud van variëteiten
Een internationaal onderzoek van Wageningen University & Research (WUR) en de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saoedi-Arabië biedt nieuwe inzichten in de evolutie van rijst. Het laat zien hoe het DNA van rijst door de soorten heen is veranderd. De bevindingen kunnen helpen om rijstopbrengsten te verbeteren. Bovendien kan de kennis worden gebruikt om rijst te verbouwen in regio’s waar dat nu niet haalbaar is. Het toonaangevende tijdschrift Nature Genetics heeft het onderzoek gepubliceerd.
Rijst is een van de eerste gewassen die door mensen werden gedomesticeerd, ongeveer 10.000 jaar geleden. Sindsdien is doelgericht geselecteerd op eigenschappen zoals voedingswaarde en opbrengst. Deze langdurige kunstmatige selectie heeft geleid tot een afname van de genetische diversiteit, waardoor rijst vandaag de dag kwetsbaarder is voor milieustress, zoals droogte, ziektes en plagen.
Wilde soorten kunnen zich beter aanpassen
De wilde verwanten van rijst, de zogeheten Oryza-soorten, hebben daarentegen zo’n 15 miljoen jaar evolutie doorgemaakt. In die lange periode hebben ze een opmerkelijke genetische variatie ontwikkeld in hun genoom. Daardoor kunnen deze wilde soorten zich goed aanpassen aan allerlei moeilijke omstandigheden, zoals hitte, droogte en zout in de bodem.
"Het geslacht Oryza heeft een ongelooflijk rijke verzameling genomen. We hebben nu de gevolgen van de evolutie op het collectieve genoom van rijst en zijn wilde verwanten kunnen verklaren," legt onderzoeksleider Rod Wing van KAUST uit.
Planten zijn polyploïd
Mensen zijn diploïd, wat betekent dat ze twee sets chromosomen erven - één van elke ouder. Alles meer of minder kan fataal zijn. Bij planten ligt dat anders. Zij kunnen polyploïd zijn, wat betekent dat ze meerdere sets chromosomen van hun ouders krijgen. Deze extra sets zorgen voor een groter genoom, wat de aanpassing aan nieuwe of stressvolle omgevingen kan vergemakkelijken. Het kan ook leiden tot het ontstaan van nieuwe eigenschappen en zelfs nieuwe soorten.
De studie onderzocht negen tetraploïde en twee diploïde wilde verwanten van rijst. De onderzoekers ontdekten dat de soorten van elkaar konden worden onderscheiden door subsets van het genoom. Deze verschillen zijn vooral het gevolg van transposeerbare elementen, ook wel ‘springende genen’ genoemd. Dit zijn stukjes DNA die van plek kunnen veranderen binnen het genoom, en die van nature zorgen voor genetische variatie.
Daarnaast leidde het bestaan van zowel diploïde als tetraploïde soorten tot genomen die meer dan twee keer zo groot zijn. In een deel van dat uitgebreide DNA bevinden zich genen die de plant beter bestand hebben gemaakt tegen hogere temperaturen, droogte, zoute bodems en andere vormen van omgevingsstress. Zulke omstandigheden komen veel voor in het Midden-Oosten en nemen wereldwijd toe door klimaatverandering.
Evolutionaire boom
De onderzoekers waren ook in staat om de evolutionaire boom van wilde rijst te bepalen, die laat zien wanneer nieuwe soorten ontstonden. Deze geschiedenis biedt aanwijzingen voor momenten waarop rijst in de loop der tijd werd blootgesteld aan zware stress, wat leidde tot veranderingen in het genoom die de plant hielpen overleven.
"Deze genoomanalyse biedt een uitgebreid inzicht in hoe rijst en zijn complexe wilde verwanten zijn geëvolueerd. De studie biedt een uitgebreid kader voor toekomstige initiatieven om robuuste rijstsoorten te ontwikkelen die bestand zijn tegen zware omstandigheden," aldus professor Eric Schranz van Wageningen Universiteit & Research.
Met meer dan 3,5 miljard mensen die rijst gebruiken als hoofdbestanddeel van hun dieet, is rijst een van de belangrijkste voedingsgewassen ter wereld.
Topics
Species
