Используя простой и мощный генетический метод для настройки генов, присущих двум популярным сортам томатов, команда из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) разработала быстрый метод, позволяющий заставить их цвести и давать спелые плоды более 2 дней. недель быстрее, чем коммерческие заводчики в настоящее время могут это сделать.
Это означает большее количество посадок за вегетационный период и, следовательно, более высокую урожайность. В данном случае это также означает, что растение можно выращивать в более северных широтах, чем это возможно в настоящее время, что является важным атрибутом по мере потепления климата Земли.
«Наша работа - убедительная демонстрация возможностей редактирования генов - технологии CRISPR - для быстрого улучшения показателей урожайности при селекции сельскохозяйственных культур», - говорит доцент CSHL Закари Липпман, который руководил исследованием. По его словам, приложения могут выходить далеко за рамки семейства томатов, включая многие основные продовольственные культуры, такие как кукуруза, соя и пшеница, от которых зависит так много всего в мире.
Липпман поясняет, что методика, опубликованная его командой в журнале Nature Genetics, касается не только увеличения урожайности. «На самом деле речь идет о создании генетического инструментария, который позволяет производителям и селекционерам в одном поколении настраивать сроки цветения и, таким образом, урожайность, чтобы помочь адаптировать наши лучшие сорта для выращивания в тех частях мира, где они в настоящее время не процветают».
В основе метода лежит информация, полученная Липпманом и его коллегами, в том числе учеными-растителями из Института Бойса Томпсона в Итаке, штат Нью-Йорк, и во Франции под руководством доктора Липпмана. Хосе Хименес-Гомес об эволюции процесса цветения многих сельскохозяйственных культур и их диких сородичей в зависимости от продолжительности светового дня в течение дня. Генетические исследования показали, почему сегодняшние культивируемые томаты не очень чувствительны к этой переменной по сравнению с дикими родственниками из Южной Америки. Почему-то для одомашненных растений не имеет большого значения, 12 или 16 часов у них световой день; они цветут практически в одно и то же время после посадки.
Известная гормональная система регулирует время цветения, а значит, и время, когда растение даст первые спелые плоды. Гормон флориген и противодействующий «антифлоригенный» гормон, называемый SP (от САМООБРЕЗКИ), действуют вместе, по принципу инь-ян, соответственно, стимулируя или задерживая цветение. На одном из этапов недавно опубликованного исследования исследователи изучали дикие виды помидоров, произрастающих на Галапагосских островах - недалеко от экватора, где день и ночь около 12 часов круглый год. Они хотели узнать, почему при выращивании в северных широтах с очень длинными летними днями это растение зацвело очень поздно и дало мало плодов.
Они узнали, что дикий экваториальный томат чрезвычайно чувствителен к продолжительности светового дня. Чем длиннее день, тем дольше время до цветения, тогда как «когда у вас более короткий световой период, как в естественной среде обитания растения, оно цветет быстрее», - говорит Липпман. Это говорит о том, что в растениях томатов произошли генетические изменения, которые произошли в какой-то момент до или во время одомашнивания диких растений томатов. Липпман подозревает, что эти изменения, вероятно, уже произошли, когда испанский конкистадор Кортес завез помидоры в Европу из Мексики в начале 16 века, положив начало эре широкого распространения этого растения в средних северных широтах.
Липпман и его коллеги проследили потерю чувствительности к длине дня у одомашненных помидоров до мутаций в гене SP5G (SELF PRUNING 5G). Это член того же семейства генов флоригена и антифлоригена, которые, как уже известно, регулируют время цветения томатов.
Выращивая дикий томат с Галапагосских островов в теплицах и на полях Нью-Йорка, Липпман и его коллеги наблюдали резкий всплеск экспрессии и активности антифлоригенового гормона, кодируемого геном SP5G, в результате чего цветение происходило чаще. потом. Напротив, у одомашненных томатов этот всплеск антифлоригена гораздо слабее.
Основное нововведение группы - создание сортов томатов черри и рома, которые зацветают намного раньше, чем одомашненные сорта, на которых они основаны, - вытекает из наблюдения, что, хотя одомашненные растения заметно нечувствительны к длине дня, «было некоторое остаточная экспрессия антифлоригенного гена SP5G», - говорит Липпман.
Это побудило команду использовать инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы вызвать крошечные мутации в гене SP5G. Цель состояла в том, чтобы полностью инактивировать ген, чтобы он вообще не генерировал антифлоригенный белок.
Когда эта измененная версия SP5G была введена в популярные сорта помидоров рома и черри, растения зацвели раньше и, таким образом, дали плоды, которые созрели раньше. Изменение еще одного антифлоригенного гена, который заставляет растения томатов расти густыми, компактными, похожими на кусты, сделало раннецветущие сорта еще более компактными и раноурожайными - черта, которую команда называет «двойной детерминантностью».
«То, что мы здесь продемонстрировали, - это ускоренное размножение», - говорит Липпман. «Теперь у нас есть простая стратегия по полному устранению чувствительности к дневному свету элитных инбредных и гибридных растений, которые уже выращиваются. более северные широты, где лето очень длинное, а вегетационный период очень короткий».