Повторное изучение ранних этапов культивации: уроки из сравнения геномов цитрусовых

Цитрусовые — самая широко культивируемая в мире плодовая культура. В 2013 году только в США урожай цитрусовых оценивался более чем в $3,1 млрд. Изначально одомашненные тысячи лет назад в Юго-Восточной Азии, а затем распространившиеся по Азии, Европе и Америке через торговлю, цитрусовые сегодня подвергаются атаке «позеленения» (citrus greening) — коварного инфекционного заболевания, уничтожающего целые сады. Для защиты от этой болезни и других угроз исследователи по всему миру применяют геномные инструменты, чтобы понять происхождение сортов и их реакцию на стрессы.

В исследовании, опубликованном в июне 2014 года в Nature Biotechnology, международный консорциум из США, Франции, Италии, Испании и Бразилии проанализировал и сравнил геномные последовательности десяти разнообразных сортов цитрусовых, включая сладкий и горький апельсин, а также несколько важных сортов мандарина и помело. Консорциум под руководством Фреда Гмиттера из Университета Флориды обнаружил, что эти сорта происходят от двух диких видов цитрусовых, которые разошлись в Юго-Восточной Азии более пяти миллионов лет назад.

Институт совместных исследований генома Министерства энергетики США (DOE JGI) внес вклад в этот пилотный проект, предоставив экспертизу в области геномики растений и возможности высокопроизводительного секвенирования. Первоначальная поддержка была оказана 10 лет назад в рамках программы Community Science Program (CSP). В настоящее время во Флориде существует начинающееся промышленное направление по переработке пяти миллионов тонн ежегодных цитрусовых отходов в этанол для топлива. Анализ признаков цитрусовых, проведенный исследователями, поможет в стратегиях селекции.

Один из диких видов дал начало культурному помело — самому крупному цитрусовому плоду (часто весом от 0,9 до 1,8 кг). В отличие от этого, небольшие, легко очищаемые мандарины оказались генетической смесью второго вида и помело. Сладкий апельсин, самый широко выращиваемый сорт в мире, оказался сложным генетическим гибридом мандарина и помело, что, вероятно, объясняет его уникальные качества. Севильский (горький) апельсин, используемый в мармеладе, оказался неродственным межвидовым гибридом.

Поскольку сорта цитрусовых размножаются вегетативно, деревья, дающие определенный тип плодов, обычно генетически идентичны. Эта стратегия дает однородные плоды высокого качества, но имеет недостаток: если одно дерево восприимчиво к болезни, то восприимчивы все. Реконструируя прошлые события гибридизации, которые привели к появлению этих сортов, команда надеется разработать стратегии улучшения цитрусовых, включая устойчивость к «позеленению». «Теперь, когда мы понимаем генетическую структуру сладкого апельсина, мы можем представить себе воспроизведение неизвестных ранних этапов одомашнивания с использованием современных методов селекции», — сказал Гмиттер.

В исследовании были представлены геномы помело, апельсинов и мандаринов. Одна из последовательностей — высококачественный референсный геном мандарина Клементин, секвенированный международным консорциумом. Другой — геном сладкого апельсина, созданный совместно исследователями из DOE JGI, Университета Флориды и компании 454 Life Sciences (Roche). Понимая отношения между различными культивируемыми видами с «очень узким генетическим разнообразием», исследователи надеются обеспечить улучшение сортов на основе геномных данных, что может привести к повышению устойчивости к болезням и стрессам.

Анализ показал, что хотя помело представляют собой единый вид цитрусовых (Citrus maxima), то же самое нельзя сказать о культурных мандаринах, даже тех, которые долгое время считались не смешивавшимися с другими сортами. Сравнение последовательностей так называемых «традиционных» мандаринов (например, азиатского сорта Понкан и средиземноморского Уиллоулиф) с мандаринами-гибридами показало, что все они содержат сегменты генома помело. «Дикий» мандарин Маншань из Китая является исключением — его геном показал, что это отдельный вид.

Эти выводы перекликаются с шуткой Гмиттера, которую он произнес на встрече DOE JGI в 2012 году: «У цитрусовых инцестные гены. Ничто не является чистым».