Помидоры прошли долгий путь от своего происхождения как ягоды размером с горошину из-за того, что люди разводят томатные растения для получения более крупных плодов. Однако благоприятные мутации, которые сопровождались увеличением размера плодов и другими полезными чертами, не всегда хорошо сочетаются друг с другом. Исследование, опубликованное в журнале Cell 18 мая, показало, что естественные мутации в двух важных генах томата, которые были отобраны для разных целей при селекции, могут вызывать чрезмерное ветвление и снижать урожайность, если они происходят на одном и том же растении. Однако исследователи нашли способ использовать эти гены для создания улучшенного томатного растения, которое дает большее количество томатов.
Один из двух генов является древним, он восходит к тому времени, когда коренные американцы в Южной и Центральной Америке одомашнили томат более 8 000 лет назад. Исследователи обнаружили, что этот ген приводит к тому, что зеленая листовая «шапочка» на плодах томата становится больше. Другой ген, названный Jointless2, является мутантом 20-го века, что приводит к более гладкому соединению стебля с плодом и более прочному прикреплению к растению. Jointless2 особенно популярен, потому что он облегчает сбор помидоров, но наличие обеих мутаций в одном растении приводит к тому, что ветви, из которых формируются цветы (а позже и плоды), известные в ботанике как «соцветия», дико разветвляются в узоры, которые выглядят "немного похоже на метлу."
"На первый взгляд, вы могли бы подумать, что это здорово, потому что чем больше ветвей на каждом соцветии, тем больше цветов, а значит и больше плодов; но на самом деле, больше ветвей и цветов не всегда означает больше плодов", - говорит старший автор Захари Липпман, генетик растений из лаборатории Колд-Спринг-Харбор.«Чтобы получить эти плоды, растение должно вкладывать много ресурсов в молодые плоды, когда они начинают расти. Но растение не может справиться с этим дисбалансом из-за слишком большого количества плодов, поэтому плодородие довольно низкое». Другими словами, сильно разветвленные томатные растения дают меньше томатов.
Однако Липпман и его коллеги считали, что могут быть преимущества низкого уровня ветвления, например, у «слабоветвящегося» растения будет больше цветков, чем у неветвящегося растения, но не так много, чтобы помидоры не пали. расти. Они решили исследовать гены цветоносных ветвей и модели их роста.
Во-первых, команда обнаружила гены, вызывающие «сильное разветвление» мутантов. Они обнаружили мутации в двух близкородственных генах, оба из которых играют роль в инициации роста цветка, включая и выключая гены в стволовых клетках растений. Один из генов, Jointless2, уже был хорошо известен в кругах генетики томатов, но функция второго гена была неизвестна. Чтобы выяснить, что делает ген без Jointless2, исследователи использовали «редактирование генов» CRISPR, чтобы создать помидор с мутацией в загадочном гене. У этих мутантов выросли чашелистики, маленькие листья у основания цветка, которые стали частью маленькой зеленой шапочки на плодах. Неясно, в чем преимущество более крупных чашелистиков и более крупной зеленой шляпки, говорит Липпман, но мутация присутствует более чем в 85% современных помидоров, а это означает, что трудно вывести томат без суставов, не подвергаясь риску сильного ветвления.
"В 1970-х селекционеры так сильно хотели использовать Jointless2, что говорили: "Мы собираемся найти способ использовать генетику в своих интересах, и мы найдем другие гены, чтобы подавить разветвление. Таким образом, они знали, что у них такое экстремальное разветвление, но они не знали, какой ген мутировал», - говорит Липпман. «Их цель состояла в том, чтобы подавить ветвление, вернуть его в неразветвленное состояние, которое вы видите в продуктовом магазине с помидорами на корню. И они этого добились. Они достигли этого во многих случаях, но не во всех. При этом мы чувствуем, что они упустили возможность добиться слабого ветвления, настроить архитектуру таким образом, чтобы можно было получить выгоду."
С недавно идентифицированными управляющими ветвями генами исследователи смогли использовать естественные мутации и CRISPR для создания нескольких разных растений томата с разной степенью ветвления соцветий, в том числе со «слабым ветвлением», но высокой урожайностью плодов.. Липпман надеется, что результаты этого исследования могут быть полезны не только селекционерам томатов, но и других культур. Помидоры относятся к одному роду с картофелем и баклажанами (а также с ядовитыми пасленами). Они также принадлежат к тому же семейству, что и табак и болгарский перец. Некоторые из этих генов также могут быть важны для этих культур, и принципы, лежащие в основе эксперимента, могут быть применимы и к отдаленно родственным растениям.
"Чем больше мы понимаем основы биологии растений, основные механизмы роста и развития растений, тем больше у нас под рукой знаний и инструментов для переделки системы или ее настройки и использования системы", говорит Липпман.«Даже когда мы находим отрицательные мутации, мы можем использовать это знание и превращать их в положительные».