Генетическая модификация может помочь помидорам плодоносить в холодную погоду

Фото из открытых источников

Редактирование генов может помочь томатам плодоносить в холодную погоду без необходимости успешного опыления. Результаты исследования были опубликованы в журнале New Phytologist.

Низкие температуры могут придать томатному растению здоровый вид, но при этом остановить плодоношение. Пыльца теряет жизнеспособность, пыльники раскрываются поздно или не раскрываются вовсе, а цветки опадают до оплодотворения. В результате у садоводов остаются здоровые зеленые растения и голые соцветия.

Новое исследование указывает на способ обойти это узкое место. Вместо защиты пыльцы от холода исследователи изменили растение таким образом, чтобы оно больше не ждало пыльцы.

Завязывание плодов у томата (Solanum lycopersicum) в значительной степени зависит от ауксина — гормона, который помогает запустить процесс развития завязи в плод после оплодотворения. Два из этих белков, SlARF8A и SlARF8B, сдерживают рост плодов до тех пор, пока оплодотворение не снимет это ограничение. Короткая регуляторная молекула, называемая miR167, воздействует на те же два гена. miR167 разрушает их матричную РНК и ограничивает количество белка ARF8, которое может синтезировать цветок. Таким образом, схема имеет ограничение и предел этого ограничения.

Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме использовали технологию CRISPR для одновременного редактирования обеих сторон. Они работали с коллегами из Института биохимии растений им. Лейбница в Германии и Института Волкани в Израиле.

Оказалось, что SlARF8A и SlARF8B работают в паре. Вместе они координируют рост тычинок и пестиков, мужских и женских органов цветка. Такая координация важна, потому что оба органа должны созревать по одному и тому же графику. Если пыльца высвобождается слишком рано или слишком поздно, время созревания может не совпадать с периодом наибольшей восприимчивости женских тканей.

Один из двух генов также влияет на то, когда пыльники раскрываются, высвобождая пыльцу. Холод ухудшает этот момент, поскольку низкие температуры замедляют развитие пыльников и повреждают пыльцу внутри.

Одна из отредактированных комбинаций выделялась среди остальных. Растения, у которых отсутствовали гены SlARF8B и микроРНК SlMIR167a, начали плодоносить вообще без оплодочения. Ботаники называют это партенокарпией, и у томатов это приводит к образованию бессемянных плодов. Кроме того, у растений с измененными генами плодоношение начиналось раньше, чем у растений без генов, при всех исследованных условиях.

Практическая ценность очевидна. Растение, которое больше не зависит от жизнеспособной пыльцы, может продолжать плодоносить даже во время похолодания, когда в противном случае кисть осталась бы пустой.

В ходе зимних тепличных испытаний разрыв резко увеличился. В начале сезона растения, подвергнутые модификации, дали более чем в 18 раз больше плодов, чем контрольные растения без модификации. К концу эксперимента они собрали в шесть раз больше спелых помидоров и в десять раз больше спелых фруктов по весу.

Большинство плодов на растениях, подвергнутых модификации, уже покраснели, в то время как большинство плодов на контрольных растениях оставались зелеными. У растений, подвергшихся модификации, также наблюдалась более компактная форма, с меньшим количеством побегов в стеблях и листьях. В самых холодных условиях необработанные растения давали очень мало плодов или не давали их вовсе.

«Понимание этой системы в конечном итоге может помочь нам разработать культуры, которые будут давать более надёжный урожай фруктов», — говорит профессор Наоми Ори из Еврейского университета.

Это открытие является продолжением исследования, проведенного в той же лаборатории. В исследовании 2023 года, опубликованном в журнале Plant Physiology, сообщалось, что снижение дозы SlARF8A и SlARF8B повышает урожайность томатов как в жарких, так и в холодных условиях.

Предыдущие исследования затрагивали только сдерживающую сторону процесса. Добавление модификации miR167 дает селекционерам второй регулятор, и это сочетание показало самый сильный на данный момент эффект в холодное время года.

Это различие имеет значение для селекции. Повышение уровня ауксиновой сигнализации во всем растении, как правило, приводит к аномальному росту и деформированным цветкам. Корректировка одного из взаимосвязей внутри цепи позволяет репродуктивным тканям развиваться нормально. Этот вид продолжает удивлять. Дикие популяции томатов на Галапагосских островах восстановили химическую защиту, от которой их предки отказались миллионы лет назад.

Ничто из этого не готово для каталога семян. Размер плодов, текстура, вкус и характеристики хранения — все это остается непроверенным в отобранных сортах. Этот признак также должен быть внедрен в коммерческие сорта и хорошо себя зарекомендовать в тепличных условиях. Плоды без косточек могут быть особенно полезны для переработки томатов, поскольку уменьшенное содержание косточек и желе может упростить промышленную обработку.

Генная инженерия уже позволила увеличить содержание сахара в помидорах примерно на 30 процентов, а в отдельных исследованиях – получить более крупные плоды за счет добавления семенных полостей. Эти изменения повлияли на то, каким становится помидор после созревания. Эта история уходит корнями ещё глубже, к тому моменту, когда цветок решает, превращаться ли ему вообще в помидор.

Эти ранние репродуктивные стадии особенно уязвимы к температурному стрессу, а прогнозируемые потери урожая в условиях изменения климата делают защиту плодоводства все более важной.