Когда многие люди думают об арбузе, они, скорее всего, думают о Citrullus lanatus, культивируемом арбузе со сладкими, сочными красными плодами, которым пользуются во всем мире в качестве десерта. Действительно, арбуз является одним из самых популярных фруктов в мире, уступая только помидору, который многие считают овощем. Но есть еще шесть дикорастущих видов арбузов, у всех из которых плоды бледные, твердые и горькие.
Исследователи всесторонне изучили геномы всех семи видов, создав ресурс, который может помочь селекционерам найти гены дикого арбуза, обеспечивающие устойчивость к вредителям, болезням, засухе и другим неблагоприятным условиям, а также еще больше улучшить качество плодов.. Внедрение этих генов в культивируемый арбуз может привести к получению высококачественных сладких арбузов, способных расти в более разнообразном климате, что будет особенно важно, поскольку изменение климата все больше бросает вызов фермерам.
«За последние 4000 лет, когда люди одомашнили арбуз, они отобрали фрукты, которые были красными, сладкими и менее горькими», - сказал Чжанцзюнь Фей, преподаватель Института Бойса Томпсона и один из руководителей международных усилий..
«К сожалению, по мере того, как люди делали арбузы слаще и краснее, плод потерял некоторые способности противостоять болезням и другим видам стресса», - сказал Фей, который также является адъюнкт-профессором Школы интегративного растениеводства Корнельского университета.
Как описано в статье, опубликованной в журнале Nature Genetics 1 ноября, исследователи пришли к такому выводу, используя двухэтапный процесс. Во-первых, они создали улучшенную версию «эталонного генома», который используется учеными и селекционерами для поиска новых и интересных версий генов у их образцов.
Фэй был одним из руководителей создания первого эталонного генома арбуза с использованием выращиваемого в Восточной Азии сорта под названием «97103», который был опубликован в 2013 году.
«Этот первый эталонный геном был создан с использованием более старых технологий секвенирования с коротким считыванием», - сказал Фей. «Используя современные технологии секвенирования с длительным чтением, мы смогли создать геном гораздо более высокого качества, который будет гораздо лучшим ориентиром для арбузного сообщества».
Затем группа секвенировала геномы 414 различных арбузов, представляющих все семь видов. Сравнивая эти геномы как с новым эталонным геномом, так и друг с другом, исследователи смогли определить эволюционное родство различных видов арбузов.
«Одно из важных открытий нашего анализа заключается в том, что один дикий вид, который широко используется в текущих программах разведения, C. amarus, является сестринским видом, а не предком, как многие считали», - сказал Фей.
Действительно, исследователи обнаружили, что культивируемый арбуз был одомашнен путем устранения горечи и увеличения сладости, размера плода и цвета мякоти. Современные сорта были усовершенствованы за последние несколько сотен лет за счет увеличения сладости, вкуса и хрустящей текстуры. Исследователи также обнаружили участки генома арбуза, которые можно использовать для дальнейшего улучшения качества фруктов, например, делая их больше, слаще и хрустяще.
За последние 20-30 лет селекционеры скрестили культурный арбуз с родственным видом C. amarus и двумя другими дикими родственниками, C. mucusospermus и C. colocynthis, чтобы сделать десертный арбуз более устойчивым к нематодам-вредителям., засухи и таких болезней, как фузариозное увядание и мучнистая роса.
Эти типы улучшений с использованием диких родственников - это то, что волнует Амнона Леви, исследователя-генетика и селекционера арбузов в Службе сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, U. S. Овощная лаборатория в Чарльстоне, Южная Каролина. Леви является соавтором статьи и предоставил генетический материал для многих арбузов, использованных в исследовании.
«Сладкий арбуз имеет очень узкую генетическую основу», - говорит Леви. «Но среди диких видов существует широкое генетическое разнообразие, что дает им большой потенциал для содержания генов, обеспечивающих устойчивость к вредителям и стрессам окружающей среды».
Леви планирует работать с BTI, чтобы обнаружить некоторые из этих диких генов, которые можно использовать для улучшения десертного арбуза, особенно для устойчивости к болезням.
«Арбуз восприимчив ко многим тропическим болезням и вредителям, ареалы которых, как ожидается, будут продолжать расширяться вместе с изменением климата», - говорит Леви. «Мы хотим посмотреть, сможем ли мы вернуть некоторые из этих генов устойчивости к диким болезням, которые были потеряны во время одомашнивания».
Другими соавторами были исследователи из Пекинской академии сельскохозяйственных и лесных наук и Китайской академии сельскохозяйственных наук.
Исследование было частично поддержано средствами Инициативы по исследованию сельскохозяйственных культур Национального института продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США (2015-51181-24285) и Национального научного фонда США (IOS-1339287 и IOS-1539831).
В том же выпуске журнала Nature Genetics Фей и его коллеги также опубликовали аналогичную статью с анализом 1 175 дынь, включая сорта мускусной дыни и медовой росы. Исследователи обнаружили 208 геномных областей, связанных с массой, качеством и морфологическими характеристиками плодов, которые могут быть полезны для селекции дынь.
Ранее в этом году Фей, Леви и их коллеги опубликовали эталонный геном арбуза «Чарльстон Грей», основного американского сорта C. lanatus, дополняющего восточноазиатский геном «97103».