Кассава генетически деградирует, что ставит под угрозу важную сельскохозяйственную культуру

Для селекционеров кассавы, основного продукта питания для сотен миллионов людей в тропиках, выведение улучшенных сортов со временем становится всё сложнее. Команда из Корнеллского университета, используя геномный анализ сортов кассавы и её диких родственников, поставила диагноз: мутации разрушают геном, создавая множество нефункциональных версий генов и подвергая риску культуру, критически важную для выживания десятой части населения мира.

«Анализ чётко показал, что кассава генетически деградирует», — сказал Эд Баклер, исследователь-генетик из USDA-ARS и адъюнкт-профессор селекции и генетики растений в Институте геномного разнообразия (IGD) Корнелла. «Ситуация ухудшается со временем, поскольку накапливается всё больше мутаций, поэтому селекционерам при скрещивании приходится прилагать всё больше усилий, чтобы найти среди потомства те единичные экземпляры, которые содержат хотя бы одну функциональную версию каждого гена».

Сложное положение кассавы — которое Баклер описывает как «направленное в сторону вымирания» — вероятно, связано со снижением генетического разнообразия в процессе одомашнивания, а также с тем, что кассава размножается черенками, а не семенами. Без полового размножения и сопутствующего ему очищения от мутаций в процессе рекомбинации накапливается примерно 30 новых мутаций за поколение.

Исследование, опубликованное 17 апреля в Nature Genetics, было проверкой возможности вычислительного выявления геномных мутаций. Этот вопрос группа изначально задалась целью решить для кукурузы в рамках проекта, финансируемого Фондом Билла и Мелинды Гейтс, но работа была ускорена для кассавы по запросу фонда.

Полученные данные открывают путь для селекционеров к укреплению продовольственной безопасности в тропиках, поддерживая ключевую культуру, которой питаются около 800 миллионов человек — в основном мелкие фермеры — в регионах с бедными почвами и непредсказуемыми осадками.

Пунна Раму и Фэй Лу, научные сотрудники IGD, использовали комбинацию глубокого секвенирования (сбор данных для 30-кратного прочтения геномов 241 типа кассавы) и прогностических инструментов на основе эволюции, чтобы определить, какие мутации, вероятно, нарушают функцию гена.

Хотя частота вредных мутаций была высокой и составила 26%, они также обнаружили широкие генетические свидетельства того, что селекционеры успешно компенсировали дисфункциональные аллели в погоне за более высокой продуктивностью и урожайностью. Почти две трети мутаций встречались только в присутствии второй, функциональной версии гена.

«Большинство вредных мутаций рецессивны, то есть становятся проблемой, только если у растения есть две копии мутировавшего гена в одном и том же месте, — сказал Фэй Лу. — Высокая гетерозиготность кассавы была самой интересной находкой — усилия по селекции успешно маскировали вредные мутации функциональными версиями генов».

Эти выводы уже включены в селекционные модели проекта NextGeneration Cassava Breeding, базирующегося в Корнелле и также финансируемого Фондом Гейтсов. Проект NextGen, которым руководит Чиедоци Эгеси из Международных программ Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни (соавтор исследования), разрабатывает стратегии для направленной селекции с целью устранения мутаций. Но это лишь начало возможного применения технологии.

«В долгосрочной перспективе, используя редактирование генома, мы могли бы обеспечить селекционным линиям эквивалент персонализированной медицины, — сказал Баклер. — По сути, эти мутации подобны болезнетворным мутациям у людей. И мы приближаемся к тому, чтобы идентифицировать эти вредные мутации и исправить их».