Распутывание генетического наследия томатов

Помидоры прошли долгий путь происхождения. Однако благоприятные мутации, которые сопровождались увеличением размера овощей и другими полезными чертами, не всегда хорошо сочетались. В исследовании, опубликованном в Cell 18 мая, было обнаружено, что естественные мутации в двух важных томатных генах, которые были выбраны для разных целей в разведении, могут вызывать сильное ветвление и снижать урожайность фруктов, когда они встречаются на одном и том же растении. Тем не менее, исследователи нашли способ использовать эти гены для создания улучшенного растения томатов, которое выращивает большее количество томатов.

Генетика томатов

Один из двух генов является древним, начиная с того момента, когда коренные американцы в Южной и Центральной Америке одомашнили томатный завод более 8 000 лет назад. Исследователи обнаружили, что этот ген приводит к тому, что зеленые листовые «колпачки» растут поверх плодов томатов. Другой ген, называемый Jointless2, представляет собой мутант 20-го века, что приводит к более гладкой стебле, связанной с плодами и более крепкой привязанности к растению. Jointless2 особенно популярна, потому что это облегчает сбор томатов, но наличие обеих мутаций в одном растении приводит к тому, что ветви делают цветы (а позже и овощи) - ботанически известными как «соцветия» - дико разлагаются на узоры, которые выглядят «немного похожими на метлу».

«На первый взгляд, вы думаете, что это здорово, потому что больше ветвей на каждой соцветии означает больше цветов, что будет означать больше томатов, но на самом деле больше ветвей и цветов не всегда переводится на большее количество плодов», - говорит старший автор Захари Липпман, генетик растений в лаборатории Cold Spring Harbor. «Чтобы сделать эти плоды, растение должно перекачивать много ресурсов в молодые плоды, когда они начинают расти. Но растение не может справиться с этим дисбалансом, имея слишком много плодов, поэтому плодовитость довольно низкая». Другими словами, сильно разветвленные растения томатов вырабатывают меньше помидоров.

Однако Липпман и его коллеги полагали, что могут быть преимущества, связанные с низким уровнем ветвления, так что у растения с «слабым ветвлением» будет больше цветов, чем у неветвящегося растения, но не так много, что томаты не будут расти. Они решили исследовать гены за цветущими ветвями и их шаблоны роста.

Во-первых, команда обнаружила гены, которые вызвали «сильные ветвящиеся» мутанты. Они обнаружили мутации в двух близкородственных генах, оба из которых играют роль в инициировании роста цветка путем включения и выведения генов в стволовые клетки растений. Один из генов, Jointless2, был уже хорошо известен в кругах генетики томатов, но функция второго гена была неизвестна. Чтобы выяснить, что сделал ген без Jointless2, исследователи использовали CRISPR «редактирование генов» для создания томата с мутацией в гене загадочного гена. Эти мутанты росли большими чашелистиками, маленькие листья у основания цветка, которые стали частью маленькой зеленой шапки на плодах. Неясно, какой будет польза для больших чашелистиков и более крупной зеленой шапки, - говорит Липпман, но мутация присутствует в более чем 85% современных помидоров, а это означает, что трудно разводить бесшарнирный помидор, не рискуя иметь сильное ветвление.

«В 1970-х годах заводчики хотели использовать Jointless2 настолько, что они сказали:« Мы найдем способ использовать генетику в наших интересах, и мы собираемся найти другие гены, чтобы подавить ветвление ». Значит, они знали, что у них это экстремальное ветвление, но они не знали, какой ген был мутирован », - говорит Липпман. «Их целью было подавить ветвление, вернуть его в неразветвленное состояние, которое вы видите в продуктовом магазине с томатами, и они достигли этого. Они достигли этого во многих случаях, но не во всех. Поэтому мы чувствуем, что они упустили возможность добиться слабой ветви, настроить архитектуру таким образом, чтобы вы могли получить выгоду».

С новыми идентифицированными ветвями-генами в руках исследователи смогли использовать естественные мутации и CRISPR для разработки нескольких разных томатных растений с разной степенью разветвления соцветий, в том числе с «слабым ветвлением», но с высоким урожаем фруктов. Липпман надеется, что результаты этого исследования могут быть полезны не только для производителей томатов, но и для других культур. Помидоры находятся в том же роде, что и картофель и баклажаны. Они также в той же семье, что и табак и сладкий перец. Некоторые из этих генов также могут быть важны для этих культур, и принципы, лежащие в основе эксперимента, могут быть применимы и к растениям, расположенным на расстоянии.

«Чем больше мы понимаем основную биологию растений, основные механизмы роста растений и развития растений, тем больше у нас на руках есть знаний и инструментов для переделки системы или настройки и использования системы», - говорит Липпман. «Даже когда мы находим отрицательные мутации, мы можем использовать эти знания и превращать их в позитивные».