Такие культуры, как пшеница и кукуруза, подверглись процессу селекции, длившемуся тысячи лет, в ходе которого человечество постепенно модифицировало свойства диких растений, чтобы приспособить их к своим потребностям. Одним из мотивов была и остается более высокая урожайность. Одним из «побочных эффектов» этой селекции стало снижение генетического разнообразия и потеря полезных свойств. Об этом свидетельствует, среди прочего, повышенная восприимчивость к болезням, отсутствие вкуса или пониженное содержание витаминов и питательных веществ в современных сортах. Теперь впервые исследователи из Бразилии, США и Германии создали новую культуру из дикого растения в течение одного поколения, используя CRISPR-Cas9, современный процесс редактирования генома. Начав с «дикого помидора», они в то же время внедрили различные свойства сельскохозяйственных культур, не теряя при этом ценных генетических свойств дикого растения. Результаты опубликованы в текущем выпуске журнала Nature Biotechnology..
«Этот новый метод позволяет нам начать с нуля и начать новый процесс одомашнивания заново», - говорит биолог, профессор Йорг Кудла из Университета Мюнстера (Германия), чья команда участвует в исследовании. «При этом мы можем использовать все знания по генетике растений и одомашниванию растений, накопленные исследователями за последние десятилетия. Мы можем сохранить генетический потенциал и особо ценные свойства дикорастущих растений и, в то же время, производить желаемые особенности современных культур в очень короткие сроки. В общей сложности исследователи потратили на свои исследования около трех лет.
Исследователи выбрали Solanum pimpinellifolium в качестве родительского вида растения, дикого родственника помидора из Южной Америки и прародителя современного культивируемого помидора. Плоды дикого растения размером с горошину, а урожайность низкая - два свойства делают его непригодным для выращивания. С другой стороны, плоды более ароматные, чем современные томаты, которые в результате селекции частично утратили свои вкусовые качества. Кроме того, дикий фрукт содержит больше ликопина. Этот так называемый поглотитель радикалов, то есть антиоксидант, считается полезным для здоровья и поэтому является желанным ингредиентом.
Исследователи модифицировали дикое растение с помощью «мультиплекса CRISPR-Cas9» таким образом, что потомки растений несли небольшие генетические модификации в шести генах. Эти решающие гены уже были признаны исследователями за последние несколько лет и рассматриваются как генетический ключ к характеристикам одомашненных томатов. В частности, исследователи произвели следующие модификации по сравнению с диким помидором: плод в три раза больше, чем у дикого помидора, что соответствует размеру помидора черри. Плодов в десять раз больше, и форма их более овальная, чем у круглых диких плодов. Это свойство популярно, потому что во время дождя круглые плоды раскрываются быстрее, чем овальные. Растения также имеют более компактный рост.
Другим важным новым свойством является то, что содержание ликопина в новом сорте помидоров более чем в два раза выше, чем в диком родительском, и не менее чем в пять раз выше, чем в обычных помидорах черри. «Это решающее новшество, которого невозможно добиться с помощью обычного процесса селекции выращиваемых в настоящее время помидоров», - говорит Йорг Кудла. «Ликопен может помочь предотвратить рак и сердечно-сосудистые заболевания. Таким образом, с точки зрения здоровья, помидор, который мы создали, вероятно, имеет дополнительную ценность по сравнению с обычными культивируемыми помидорами и другими овощами, которые содержат ликопин в очень ограниченных количествах.«До сих пор, - добавляет он, - селекционеры тщетно пытались увеличить содержание ликопина в культивируемых помидорах. Однако в тех случаях, когда им это удавалось, это происходило за счет содержания бета-каротина, который также защищает клетки и, следовательно, ценный ингредиент.
Йорг Кудла резюмирует дилемму современного сельского хозяйства: «Наши современные культуры являются результатом селекции со всеми ее преимуществами и недостатками. Многие свойства, такие как устойчивость, были потеряны, и мы могли бы только восстановить их с помощью кропотливого многолетнего процесса обратного скрещивания с диким растением - если вообще удастся. Причина в том, что свойства, которые являются результатом взаимодействия между многочисленными генами, не могут быть восстановлены с помощью традиционных процессов селекции. Во многих аспектах одомашнивание похоже на улицу с односторонним движением. С помощью современного редактирования генома мы можем использовать преимущества дикого растения и решить эту проблему размножения. Короче говоря, молекулярное «одомашнивание de novo» предлагает огромный потенциал, в том числе для производства новых, желаемых характеристики.«Более того, - добавляет проф. Кудла, - теперь можно будет, например, брать растения, которые очень здоровы, - но которые до сих пор не использовались людьми или использовались лишь в очень ограниченной степени, - и с помощью целенаправленное увеличение размера их плодов или улучшение других характеристик одомашнивания, преобразование их в совершенно новые культуры.
Подробности метода: исследователи использовали метод CRISPR-Cas9 для нацеливания и деактивации генов в растении Solanum pimpinellifolium посредством так называемых мутаций с потерей функции. Среди растений, генетически модифицированных таким образом, они выбрали подходящие зрелые родительские растения. Исследователи исследовали потомство этих родительских растений на предмет их внешних видимых признаков и проанализировали их свойства.