Человеческие аппетиты изменили помидор - ДНК и все такое. После столетий селекции то, что когда-то было южноамериканской ягодой размером примерно с горошину, теперь принимает всевозможные формы и размеры, от похожих на вишню до огромных плодов семейной реликвии.
Сегодня ученые дразнят, как эти физические изменения проявляются на уровне генов - работа, которая могла бы направить современные усилия по настройке помидора, говорит исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Закари Липпман.
Он и его коллеги обнаружили давно скрытые мутации в геномах 100 видов помидоров, включая дикорастущее растение с апельсиновыми ягодами с Галапагосских островов и сорта, которые обычно перерабатываются в кетчуп и соус.
Их анализ, описанный 17 июня 2020 года в журнале Cell, представляет собой наиболее полную оценку таких мутаций, которые изменяют длинные участки ДНК, для любого растения. По словам Липпмана, исследование может привести к созданию новых сортов томатов и улучшению существующих. Исследователи показали, что несколько мутаций, выявленных его командой, изменяют ключевые характеристики, такие как вкус и вес..
Предыдущие исследования уже давно показали, что эти мутации существуют в геномах растений, говорит Липпман, генетик растений из лаборатории Колд-Спринг-Харбор. «Но до сих пор у нас не было эффективного способа найти их и изучить их влияние», - говорит он.
Окно в геном
Мутации или изменения в четырех типах букв ДНК, находящихся внутри клеток организма, могут изменить его физические характеристики. Ученые, изучающие растения, обычно сосредоточивались на небольшой, поддающейся обработке разновидности мутации, при которой одна буква ДНК заменяется другой.
Мутации, которые изучала команда Липпмана, гораздо масштабнее: они изменяют структуру ДНК путем копирования, удаления, вставки или перемещения длинных участков ДНК в другие части генома. Эти мутации, также называемые структурными вариациями, происходят во всем живом мире. Исследования на людях, например, связывают эти вариации с такими расстройствами, как шизофрения и аутизм.
Ученые могут идентифицировать мутации, считывая буквы ДНК, используя метод, известный как генетическое секвенирование. Однако ограничения этой технологии затрудняют декодирование длинных участков ДНК, говорит Липпман. Таким образом, исследователи не смогли получить полную картину структурных мутаций в геноме.
Тем не менее, генетики растений подозревают, что эти мутации в значительной степени влияют на характеристики растений, говорит Майкл Пуругганан, изучающий рис и финиковые пальмы в Нью-Йоркском университете и не участвовавший в новом исследовании. «Вот почему эта статья так интересна», - говорит он. По его словам, команда Липпмана не только обнаружила эти мутации у томатов и их диких родственников, но и определила, как они функционируют в растениях.
Руководство по будущим помидорам
Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с Майклом Шацем из Университета Джона Хопкинса и другими учеными, выявило более 200 000 структурных мутаций в помидорах с использованием метода, называемого секвенированием с длинным чтением. Липпман сравнивает это с просмотром через панорамное окно больших участков генома. Для сравнения, более традиционное секвенирование предлагало лишь «глазок», говорит он.
Большинство обнаруженных ими мутаций не изменяют гены, кодирующие признаки. Но ясно, говорит Липпман, что многие из этих мутаций изменяют механизмы, контролирующие активность генов. Один такой ген, например, контролирует размер плодов помидора. Изменяя структуру ДНК - в данном случае количество копий гена - команда Липпмана смогла изменить производство фруктов. Растения, у которых не было гена, никогда не плодоносили, а растения с тремя копиями гена давали плоды примерно на 30% крупнее, чем растения с одной копией.
Команда Липпмана также продемонстрировала, как структура ДНК может влиять на черты, на примере, который он назвал «удивительно сложным». Они показали, что четыре структурные мутации вместе необходимы для размножения основных признаков урожайности в современных томатах.
Такого рода идеи могут помочь объяснить разнообразие признаков других культур и позволить селекционерам улучшать сорта, говорит Липпман. Например, возможно, добавление дополнительной копии гена размера к крошечным земляным вишням, близким родственникам помидоров, могло бы повысить их привлекательность, сделав их больше, говорит он.
«Одним из святых граалей в сельском хозяйстве является возможность сказать: «Если я мутирую этот ген, я знаю, какой будет результат», - говорит он. «Отрасль делает важные шаги на пути к такому предсказуемому разведению».