Несмотря на свою кулинарную универсальность, скромный помидор не известен своей таинственностью. Но еще многое предстоит узнать: исследователи из Японии обнаружили у этих растений ген, отвечающий за мужское бесплодие.
В исследовании, опубликованном в феврале 2022 года в журнале Plant Physiology, исследователи из Университета Цукубы обнаружили, что ген orf137 лежит в основе определенного типа мужской стерильности растений томата, и продемонстрировали лежащий в основе этого механизм.
Цитоплазматическая мужская стерильность (CMS) - это признак, при котором растение не может производить фертильную пыльцу. Эта черта является результатом несовместимости между геномами клеточного ядра и митохондрии - «электростанции» клетки, из которой берется клеточная энергия. CMS важен для сельского хозяйства, потому что он используется для эффективного производства гибридных семян F1 - первого поколения, полученного в результате скрещивания совершенно разных родительских типов. Механизм запуска CMS был исследован на различных зерновых культурах, и было обнаружено, что он происходит с генами, связанными с CMS, кодируемыми митохондриальным геномом. Но до этого исследования этот механизм еще не был определен у томатов.
«Гены, связанные с CMS, были обнаружены в ряде культур, таких как кукуруза, пшеница и рис, но до сих пор не были идентифицированы в томатах», - объясняет старший автор исследования, профессор Тору Ариидзуми. «Мы решили искать эти гены с помощью mitoTALENS».
MitoTALENs - митохондриальные активаторы транскрипции, подобные эффекторным нуклеазам - недавно возникли как инновационный инструмент для редактирования геномов, позволяющий целенаправленно разрушать гены в митохондриальном геноме. MitoTALEN использовались для разрушения нескольких митохондриальных генов, связанных с CMS в других культурах. Сравнивая открытые рамки считывания (ORF) - отрезки последовательности ДНК между стартовым и стоп-кодонами - CMS и фертильных сортов томатов, команда определила ген, связанный с CMS, orf137, который присутствовал именно в митохондриальном геноме томата CMS.
Результаты показали, что mitoTALEN запускает целенаправленный мутагенез (при котором генетическая информация организма изменяется посредством образования мутации), вызывая двухцепочечные разрывы (DSB) вокруг orf137. Также было продемонстрировано, что механизм репарации после DSB опосредуется гомологичной рекомбинацией - путем репарации DSB, который поддерживает стабильность генома.
«Мы идентифицировали митохондриальный orf137 как ген, связанный с CMS, который полностью поддерживает мужской стерильный фенотип растений томата CMS», - говорит профессор Ариидзуми.
Результаты этого исследования предлагают основу для разработки эффективной системы селекции гибридов F1, в которой используются растения томата CMS, несущие orf137. В будущем гибридные семена томатов F1 можно будет производить с использованием насекомых-опылителей вместо используемых в настоящее время систем ручного опыления, что снизит затраты на производство семян F1.