От жареных зеленых помидоров до пирога с пиццей, мир наслаждается помидорами на разных стадиях зрелости, каждая из которых обладает своими уникальными качествами. Вопрос о том, как созревает плод, долгое время был важным вопросом для селекционеров и предметом обширного и плодотворного сотрудничества с участием исследователей из Института Бойса Томпсона (BTI), Корнельского университета и Министерства сельского хозяйства США (USDA).
Опубликовано онлайн в Nature Communications 25 января. Исследователи представляют пространственно-временную карту экспрессии генов во всех тканях и стадиях развития плода томата - генетическая информация, лежащая в основе того, как плод меняется изнутри наружу по мере созревания. Их данные доступны онлайн в новом Атласе экспрессии томатов (TEA).
"В сотрудничестве приняли участие несколько исследовательских групп, каждая из которых изучает биологию плодов томата и работает вместе в течение многих лет", - сказала Джоселин Роуз, профессор Корнелла и ведущий исследователь проекта.
Томаты с годовой рыночной стоимостью в 55 миллиардов долларов являются важным объектом для понимания генетической основы коммерчески важных признаков, таких как размер, цвет, вкус и содержание питательных веществ. Кроме того, помидор служит образцом для понимания процесса созревания, который можно перенести на другие, более трудные для изучения фрукты.
Большинство предыдущих исследований было сосредоточено на плодах помидоров как на одной однородной ткани или только на внешней мясистой части, но, как знает любой, кто нарезал спелый, жидкий помидор, плоды далеко не однородны. Для этого проекта исследователи проанализировали каждую ткань по отдельности на всех стадиях развития, что потребовало особой осторожности, времени и различных навыков - именно здесь сотрудничество было ключевым.
«В проекте использовались синергетические возможности сотрудников, которые объединили свои знания в области физиологии, молекулярной биологии, микродиссекции с лазерным захватом, анализа данных и проектирования баз данных», - сказал Джеймс Джованнони, ученый BTI/USDA.
«Наша первая цель состояла в том, чтобы создать транскриптомный атлас развития плодов томатов с беспрецедентным уровнем пространственно-временного разрешения», - сказал Филипп Николя, научный сотрудник BTI. «Нам нужна была максимально репрезентативная объективная выборка. Для этой цели мы собрали в общей сложности более 400 образцов с более чем 60 случайно выбранных отдельных растений томатов».
Исследователи тщательно препарировали ткани помидора вручную и с помощью микродиссекции с лазерным захватом, чтобы изолировать и секвенировать РНК, генетический материал, который отличает каждую ткань от отдельных тканей и даже клеток. Затем данные последовательности были скомпилированы, проанализированы и организованы в TEA, где их можно проанализировать для исследования различных биологических процессов, важных для развития плодов. Тщательная работа по биоинформатике была проделана лабораториями Мюллера и Фей в BTI.
«База данных TEA предлагает беспрецедентный уровень интерактивности и новые способы визуализации сложных, многомерных данных экспрессии», - сказал ученый BTI Лукас Мюллер, имея в виду графический интерфейс TEA, который позволяет пользователям визуализировать экспрессию генов с помощью тепловых карт и фруктовые пиктограммы.
«Эти функции позволят исследователям легко отвечать на вопросы, которые раньше были гораздо более утомительными», - сказал Мюллер.
Подобно тому, как сотрудничающие исследовательские группы внесли свой разнообразный опыт в создание TEA, каждая из них может использовать базу данных для исследования биологических процессов, важных для их собственных исследований.
«Одним из моих основных исследовательских интересов является разработка и тестирование моделей гормональной регуляции развития плодов», - сказала ученый BTI Кармен Катала. «Теперь мы можем использовать TEA для создания комплексной карты гормонального биосинтеза и сигнальных путей, охватывающих все ткани плода."
Лаборатория Катала использовала эту карту для идентификации двух белков, которые взаимодействуют и, вероятно, работают вместе, чтобы регулировать передачу сигналов фруктовых гормонов - один из нескольких результатов, полученных с помощью TEA, в публикации.
Помидор изучался в течение многих десятилетий, и многие процессы были охарактеризованы довольно подробно, но TEA дает новое понимание практически каждого процесса, который мы исследовали, и дает изображение этих процессов с высоким разрешением, - сказала Роза. «Это похоже на то, как будто вы держите объектив, чтобы рассмотреть размытое изображение, и получить более четкую информацию».
С более четким представлением о биологических процессах, лежащих в основе развития плодов томата, исследователи могут быстрее определить генетическую основу многих важных черт, которые мы ценим в помидорах и других плодах.
«Наше собственное понимание генетического и эпигенетического контроля созревания и метаболических путей, влияющих на качество питательных веществ, улучшилось», - сказал Джованнони.«Это более глубокое понимание прокладывает путь к улучшению фруктов с помощью молекулярной селекции».