Дикие помидоры раскрывают скрытые генетические секреты лучшего вкуса

Фото из открытых источников

Дикие томаты выявляют генетические механизмы, влияющие на цвет плодов, содержание сахара, горечь и аромат, что дает подсказки для улучшения селекции. Результаты исследования опубликованы в журнале Genome Biology.

Помидоры встречаются повсюду: от бутербродов и салатов до соусов и супов, но любой, кто хоть раз пробовал разочаровывающий помидор из супермаркета, знает, что внешний вид — это не всё. Современные сорта были выведены с учетом полезных характеристик, таких как крупные плоды, твердость, высокая урожайность и простота в обращении, в то время как часть генетического разнообразия, присущего их диким сородичам, была утрачена.

Утраченный сорт имеет значение, потому что дикие томаты содержат варианты генов, связанные с различиями в сладости, цвете, аромате и других качествах плодов. Новый анализ показывает, что секрет часто кроется не в наличии совершенно разных генов, а в контроле того, когда эти гены активируются и насколько интенсивно они работают.

Работу возглавляли Кармен Катала и Чжанцзюнь Фэй в Институте Бойса Томпсона (BTI). В разработке и контроле проекта помогал Джеймс Джованнони из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

«Дикие томаты представляют собой огромный резервуар разнообразия вкусовых качеств, питательных веществ и устойчивости, но внедрение этих качеств в современные сорта может происходить за счет других характеристик, которые селекционеры улучшали десятилетиями, таких как урожайность, размер плодов или срок хранения», — сказал Катала. «Этому можно противостоять, располагая точной информацией о том, как контролируются гены, ответственные за такие признаки».

Это проблема, с которой сталкиваются селекционеры. Дикий томат может обладать привлекательным вкусом или питательными свойствами, но скрещивание его с культурным томатом может также привнести характеристики, менее полезные для выращивания или продажи фруктов.

Исследовательская группа сравнила культурный томат (Solanum lycopersicum) с тремя его дикими родственниками. К ним относятся красноплодный S. pimpinellifolium и более отдаленные зеленоплодные виды S. neorickii и S. pennellii.

Исследователи скрещивали культурные растения с каждым диким видом, чтобы получить гибриды. Каждый гибрид содержал в одних и тех же клетках одну культивированную и одну дикую версию соответствующих генов, что облегчало определение того, обусловлены ли различия самими генами или сигналами из других частей клетки.

«Гибрид предоставляет нам естественный контролируемый эксперимент. Обе версии каждого гена находятся в одних и тех же клетках и получают одинаковые регуляторные сигналы. Если одна версия более активна, чем другая, мы знаем, что разница заложена в ДНК непосредственно рядом с этим геном», — говорит Фэй.

Исследовательская группа изучила активность генов в мякоти внешней оболочки томата, плаценте и желеобразном веществе вокруг семян. Они также проследили за развитием плода на нескольких стадиях роста и созревания.

Некоторые изменения ДНК расположены вблизи гена и влияют на то, насколько эффективно этот ген функционирует. Исследователи называют это цис-эффектами. Другие изменения происходят из других участков клетки и влияют на активность генов на расстоянии. Они называются транс-эффектами.

Близлежащие цис-эффекты встречались гораздо чаще. В зависимости от ткани и стадии развития они затрагивали от 4,5% до 23,5% активных генов, тогда как транс-эффекты наблюдались в 0,9%–4,6% случаев.

Более отдаленные дикие виды также продемонстрировали гораздо больше различий в контроле генов, чем их ближайшие родственники. Это позволяет предположить, что виды томатов накапливали больше изменений в управлении своими генами по мере того, как со временем становились все более разными друг от друга.

Один из наглядных примеров касается цвета плодов. Дикие виды S. neorickii и S. pennellii сохраняют зеленый цвет даже после созревания плодов, в отличие от привычного красного культивируемого томата.

Исследователи обнаружили различия в генах, контролирующих каротиноиды — группу природных пигментов, в которую входит ликопин, соединение, отвечающее за большую часть красного цвета помидоров.

Культивируемые варианты некоторых генов способствовали этапам образования ликопина, в то время как дикие варианты других генов смещали этот процесс в сторону образования других каротиноидов.

Закономерность изменений не была одинаковой у всех диких видов. У S. pimpinellifolium один из вариантов дикого гена, связанный с производством ликопина, оказался даже более активным в спелых плодах.

Это объясняет, почему дикие томаты нельзя рассматривать как одну простую группу. Разные виды имеют разные схемы генного контроля, даже если гены участвуют в одной и той же части развития плода.

Сахар послужил еще одним полезным примером. Культивируемые томаты в основном запасают глюкозу и фруктозу, в то время как два более отдаленных вида с зелеными плодами также способны синтезировать сахарозу.

Исследовательская группа сосредоточилась на двух генах, работающих совместно. Ген TIV1 помогает расщеплять сахарозу на глюкозу и фруктозу, а ген SlVIF производит белок, замедляющий это расщепление.

У диких томатов с зелеными плодами дикая версия гена SlVIF становилась более активной в процессе созревания. В то же время, различия в регуляции TIV1 соответствовали тому, что в диких плодах расщеплялось меньше сахарозы.

Эти закономерности помогают объяснить, почему разные виды томатов могут иметь различное соотношение сахаров. Они также предоставляют селекционерам возможность изучать конкретные гены, вместо того чтобы просматривать тысячи генетических различий, не зная, какие из них имеют значение.

В молодых плодах томата содержатся стероидные гликоалкалоиды — защитные вещества, которые могут иметь горький вкус. Эти соединения помогают защитить развивающиеся плоды, но химический состав культивируемых томатов меняется по мере созревания.

Исследователи обнаружили, что на ранних этапах образования этих горьких соединений процесс контролируется главным образом сигналами, поступающими из других частей клетки. На более поздних стадиях созревания изменения ДНК в культивируемых томатах были связаны с усилением активности генов, преобразующих горькие соединения в менее горькие формы.

Это помогает показать, как одомашнивание могло изменить не только состав помидоров, но и время этих изменений. Молодой плод способен защищаться и становится более пригодным для употребления в пищу по мере созревания.

Команда также изучила гены, участвующие в образовании летучих соединений — химических веществ, которые способствуют формированию аромата томатов. Важным примером является ген TomLoxC, участвующий в образовании ароматических соединений из жирных кислот.

У гибридов S. pimpinellifolium и S. pennellii дикая копия была более активна на ранних стадиях развития, но культурная копия становилась более активной по мере созревания. Однако у S. neorickii дикая копия оставалась более активной даже в спелых плодах.

Такой результат важен, потому что вкус не контролируется одним постоянным переключателем. Один и тот же ген может вести себя по-разному в зависимости от вида, ткани и стадии развития плода.

«Селекционеры всегда знали, что дикие томаты обладают ценными свойствами, но их использование в селекции также приводит к появлению нежелательных признаков, что требует трудоемкой и длительной очистки», — сказал Джеймс Джованнони. «Им не хватало способа определить, какое из тысяч генетических различий лежит в основе каждого признака, чтобы сделать отбор более целенаправленным. Теперь мы можем указать на конкретные гены для селекции, оказывающие влияние на конкретные ткани, в конкретные моменты развития и созревания плодов».

Полученные результаты не означают, что изменение одного участка генного контроля автоматически приведет к получению более сладких или вкусных томатов. Исследовательская группа измеряла активность генов и генетические различия, а не вкусовые качества, оцениваемые человеком, или количество каждого вкусового соединения во фруктах.

Эксперименты также несколько различались между тремя дикими видами, в том числе в том, какой культурный родительский вид использовался и когда отбирались образцы плодов. Тем не менее, эта работа дает селекционерам гораздо более четкую карту для восстановления полезных признаков у диких томатов. Это может облегчить сохранение качеств, уже присущих современным сортам.