Скрытый ген клубники делает ягоды более насыщенными по вкусу и сладкими

Фото из открытых источников

Существует малоизвестный класс растительных генов, которые биологи рассматривают как фоновый шум. Они классифицируются как гены домашнего хозяйства, отвечающие за функционирование клеток.

Считается, что они пассивные игроки, всегда активные и всегда делающие одно и то же, по сути, невидимые для специалистов по метаболической инженерии. Однако одна команда решила проверить это общепринятое предположение. Они выбрали ген лесной земляники, который практически не используется в исследованиях вкуса или питательных свойств. Результаты исследования опубликованы в журнале Horticulture Research.

При этом ученые увеличили интенсивность воздействия примерно в 50 раз и наблюдали за реакцией плодов. Исследуемый ген называется FveIPT2. Он относится к категории растений, которые биологи в значительной степени списали со счетов.

Исследователи, как правило, изучают эти гены, отвечающие за основные функции клетки, чтобы понять, что происходит, когда они нарушаются, а это обычно приводит к гибели клетки. В противном случае, их обычно относят к категории рутинных действий. Цитокинины, растительные гормоны, отвечающие за рост, ветвление и цветение, демонстрируют аналогичное разделение.

Некоторые из ферментов, которые их производят, активно управляют развитием. Другие, включая FveIPT2, по-видимому, просто поддерживают выполнение фоновых задач.

Проект возглавлял Лицзюнь Ган из Нанкинского сельскохозяйственного университета (NJAU) совместно с И Ли из Университета Коннектикута (UConn). Команда создала растения клубники, у которых наблюдается повышенная экспрессия гена FveIPT2, в результате чего его уровень активности значительно превышает норму.

Две модифицированные линии были подвергнуты испытаниям наряду с дикими растениями в одинаковых условиях. Одна линия растений подвергла генную инженерию примерно в восемь раз более интенсивной нагрузке, чем контрольная. Другая же усилила нагрузку почти в 49 раз, что значительно превышает обычный уровень экспрессии гена в немодифицированном растении.

Затем исследователи стали ждать, пока растения подрастут. Они зацвели в положенное время, и плоды завязались точно по графику. Внешне модифицированные растения ничем не отличались от диких.

Первое, что удивило, заключалось в том, чего не произошло во время исследования. Через 40 дней и через шесть месяцев модифицированные растения по размеру и внешнему виду соответствовали своим диким аналогам. Вес отдельных плодов, размеры ягод и уровень сахара остались неизменными.

Второй сюрприз обнаружилась, когда команда провела анализ химического состава фруктов. Общее содержание антоцианов увеличилось на 34 процента в линии с более высоким содержанием этих веществ. Общее содержание флавоноидов и фенольных соединений также увеличилось. Плоды даже приобрели более тёмно-красный оттенок.

Ни один из этих приростов не сопровождался снижением темпов роста или сладости. Такое сочетание большего количества антиоксидантов, той же урожайности и схожей сладости оказалось неожиданным.

Данные по метаболитам показали, насколько велик был реальный эффект. Из 1058 соединений, обнаруженных в спелых плодах, почти семьсот отличались у модифицированных и диких растений.

Уровень девяти специфических антоцианов резко вырос. Уровень хлорида цианидина превысил уровень дикого типа в 18 раз. Другой вариант цианидина показал почти в десять раз более высокую концентрацию. Хлорид пеларгонидина – почти в семь раз более высокую.

Эти соединения — не просто пигменты. Антоцианы являются антиоксидантами, и в одном из опубликованных обзоров они связываются со снижением риска сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний у человека.

Гены, отвечающие за синтез этих соединений, и регуляторы, запускающие этот метаболический путь, работали с большей интенсивностью в модифицированных плодах. Цвет не дополняет картину, и клубника в основном заслужила свою репутацию благодаря запаху.

Из 47 измеренных командой терпеноидов содержание 24 увеличилось. Самые большие скачки были более чем в десять раз выше. Содержание линалоола, соединения, придающего клубнике сладкие цветочные нотки, резко возросло. Содержание соединения α-пинена, придающего ягодам низкого качества смолистый, скипидарный привкус, заметно снизилось.

Более ранние исследования томатов показали, что повышение содержания линалоола с помощью метаболической инженерии возможно, но только для аромата, а не для пигмента. Эта команда добилась и того, и другого, и всё это благодаря одному-единственному гену.

Исследователи ожидали, что каскад будет проходить через стандартный сигнал цитокинина, но этого не произошло. Этот путь должен был активировать определенные маркерные гены, которые включаются при активации цитокининовых гормонов. Но когда команда провела замеры, оказалось, что они снизились, а не повысились.

Таким образом, независимо от того, какую роль играет FveIPT2, традиционный гормональный путь, возможно, не является основным движущим фактором.  Основная функция гена заключается в поддержании жизнедеятельности клетки, то есть в изменении молекул, которые помогают клеткам производить белки. Эта «хозяйственная» роль может заключаться в управлении химическими процессами во фруктах посредством механизма, который полностью обходит стандартную гормональную сигнализацию.

Эксперименты проводились с использованием лесной земляники, модельного растения, выведенного для лабораторных исследований, а не для коммерческого выращивания. Распространяется ли этот эффект на другие, разнообразные коммерческие сорта, еще предстоит проверить.

Механизм, посредством которого FveIPT2 запускает химические изменения, также остается открытым вопросом. Исследователи исключили очевидный гормональный механизм, но пока не определили, что именно вызывает этот эффект в целом.

Впервые было показано, что ген, отвечающий за поддержание жизнедеятельности растения, способен улучшать химический состав плодов, не причиняя вреда растению.

«Благодаря воздействию на ген типа тРНК, а не на классические регуляторы гормонов, нам удалось улучшить цвет, аромат и питательные свойства плодов без снижения роста, которое часто сопровождает метаболическую инженерию», — говорит Ган.

Это дает селекционерам дополнительный рычаг воздействия. Программы по выращиванию клубники, направленные на получение более темного цвета, более насыщенного аромата и большего количества антиоксидантов, больше не должны мириться со снижением урожайности.

Если похожие гены работают одинаково в яблоках, персиках или винограде, то набор инструментов значительно расширяется. Гены, которые ранее игнорировались, могут оказаться одними из самых ценных объектов селекции, которые еще предстоит в полной мере изучить плодоводству.