Генетический ключ к резкому повышению урожайности и улучшению вкуса гибридных томатов

Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL), Нью-Йорк, добились значительного увеличения урожайности и улучшения вкуса гибридных растений томата.

Учёные обнаружили, что повышение урожайности контролирует один ген, регулирующий время цветения растений. Эффект работает у разных сортов томатов и, что критически важно, в различных условиях окружающей среды. Открытие запатентовано компанией Yissum.

"Это открытие обладает огромным потенциалом для преобразования многомиллиардной индустрии томатов, а также сельскохозяйственных практик, направленных на получение максимальной урожайности других цветущих культур", — говорит доктор Закари Липпман из CSHL, соавтор исследования в журнале Nature Genetics.

Команда сделала открытие в поисках генов, усиливающих гибридную силу (гетерозис) — принцип селекции, который столетие назад привёл к созданию выдающихся гибридных культур, таких как кукуруза и рис. Гетерозис — это явление, при котором скрещивание двух сортов растений даёт более жизнеспособное гибридное потомство с более высокой урожайностью.

Новая теория гетерозиса, подтверждаемая этим открытием, постулирует, что улучшение жизнеспособности происходит от только одного гена — эффект, называемый "сверхдоминированием" (overdominance).

Для поиска таких генов команда использовала обширную "библиотеку мутантов" томата — коллекцию из 5000 растений, каждое из которых имеет одну мутацию в одном гене. Скрестив 33 мутантных растения с их нормальными аналогами, учёные обнаружили гибриды с повышенной урожайностью. Самый впечатляющий пример увеличил урожайность на 60%.

Этот гибрид имел одну нормальную и одну мутантную копию гена, который производит белок флориген. Этот белок даёт команду растениям, когда прекращать производить листья и начинать производить цветы, которые затем дают плоды.

У томатов цветение контролируется балансом между белком флоригеном, который способствует цветению, и другим родственным белком, который его задерживает. Мутация в одной копии гена флоригена приводит к тому, что гибрид производит больше цветов за меньшее время — ключ к повышению урожайности. Для максимизации урожая не должно быть слишком много или слишком мало флорогена. Мутация в одной копии гена даёт точную дозу флоригена, необходимую для гетерозиса.

Учёные наблюдали эффект гетерозиса этого гена у разных сортов томатов, выращенных в различных климатических и почвенных условиях в Израиле и Нью-Йорке.

Помимо высокой урожайности, гибриды обладают ещё одним важным качеством — вкусом. Растения томата производят конечное количество сахара, распределяя его между плодами. Обычно более высокий урожай означает меньшую сахаристость каждого плода. Однако ген флоригена также повысил содержание сахара и сладость отдельных плодов.

Это исследование — первый пример единственного гена, стабильно вызывающего гетерозис. Концепция о том, что мутации в одной копии одного гена могут повысить урожайность, имеет широкие последствия для селекционеров. Мутантные растения обычно выбрасывают, но это исследование предполагает, что гибридные мутации могут привести к следующей революции в улучшении сельскохозяйственных культур.