Молекулярная генетика готова открыть золотой век селекции винограда

Выращивание винограда для вина, возможно, — самый отсталый вид садоводства. Подавляющая часть мирового производства использует лишь около 20 сортов из тысяч доступных. Индустрия убеждена, что только традиционные сорта обеспечивают всё необходимое разнообразие, а новые не могут конкурировать по качеству вина. Это убеждение сохраняется, несмотря на генетические данные, что многие традиционные сорта были целенаправленно выведены из более старых. Однако ситуация может измениться, поскольку винодельни в известных регионах сталкиваются с изменением климата.

Селекция на протяжении веков

Улучшение ограниченного набора традиционных сортов происходит через клоновый отбор. Люди наблюдают за естественными мутациями в побегах (почковыми спортами). Когда мутации полезны (лучший цвет, размер ягоды или срок созревания), новые формы — клоны — размножают черенками.

Но этих естественных мутаций недостаточно для поддержания качества в меняющемся климате. Существуют сорта вне "обычной двадцатки", которые могли бы давать лучшее качество в более тёплых или холодных условиях, но их нужно тестировать и продвигать. Новые сорта можно выводить, но отбор по множеству признаков может занять десятилетия. Быстрее и точнее — использовать достижения молекулярной генетики для оптимизации традиционной селекции с целью улучшения качества, адаптации к климату и устойчивости к болезням.

Борьба с болезнью Пирса

Когда европейцы заселили восточное побережье Северной Америки, они привезли с собой сорта европейской лозы Vitis vinifera. Эти лозы плохо адаптировались и быстро гибли от вредителей и болезней. На юге США и в Мексике наибольшее влияние оказала болезнь Пирса (Pierce's Disease, PD), которая до сих пор серьёзно ограничивает выращивание качественного винограда. Её вызывает бактерия Xylella fastidiosa, которая закупоривает водопроводящую ткань ксилемы, вызывая обезвоживание и гибель лозы. Проблема PD — наглядный пример, как молекулярная генетика может решить задачи, непосильные традиционной селекции.

Существуют естественно устойчивые к PD виды винограда. Селекционеры веками пытались улучшить их качество, но этому мешало то, что множественные гены контролируют каждый желательный признак. Гены устойчивости и качества плодов наследуются независимо, что делает невозможным предсказать, какие признаки окажутся у потомства от скрещивания V. vinifera с устойчивыми видами. Шансы найти растения с улучшенным качеством ягод и сохранённой устойчивостью крайне низки.

Взгляд в ДНК

Современные достижения в молекулярной генетике позволили создать генетические карты. Они могут указывать положение желательных признаков — включая устойчивость к болезням и качество плодов — на генах винограда. Легко идентифицируемые ДНК-маркеры, фланкирующие эти признаки, могут отмечать их наличие или отсутствие. Этот процесс маркер-опосредованной селекции может значительно ускорить классические программы селекции для многолетних древесных культур, таких как виноград, — часто сокращая время генерации с обычных 5–8 лет до 2 лет.

Наша лаборатория сосредоточилась на устойчивости к PD, обнаруженной у форм винограда V. arizonica из северной Мексики. Эта устойчивость контролируется одним доминантным геном, который мы генетически картировали и назвали PdR1. Мы начинаем со скрещивания V. arizonica и V. vinifera старомодным способом. Раньше мы делали эти скрещивания, а затем должны были тестировать всё потомство на устойчивость, часто через год-два, когда растения становились достаточно большими для взятия черенков и тестов в теплице.

Теперь, имея маркеры для PdR1, мы просто измельчаем крошечный кусочек листовой ткани сеянцев и ищем ДНК-маркеры. Сразу видно, какие растения устойчивы. Что не менее важно, мы можем отбраковать восприимчивые растения, не тратя время и деньги на их посадку в виноградник.

Поскольку V. arizonica гомозиготна по доминантному гену PdR1 (имеет две функциональные копии гена устойчивости), всё потомство первого поколения от этих скрещиваний устойчиво и содержит около 50% генома V. vinifera. Мы тестируем эти растения, чтобы определить, какие лучше подавляют бактерии и имеют лучшее качество плодов, затем скрещиваем их обратно с сортом V. vinifera; потомство от этого поколения содержит около 75% V. vinifera. Теоретически, чем больше V. vinifera, тем лучше качество вина. Мы продолжаем скрещивать новые поколения обратно с V. vinifera: следующее поколение — 88% V. vinifera, затем 94% и 97%.

На создание этих поколений у нас ушло около 12 лет. Чтобы сэкономить время, мы по пути делали лишь ограниченное количество вин. Из предыдущей работы мы знаем, что нежелательные "лисьи" ароматы и сине-фиолетовая пигментация, типичные для вин с родительскими видами из Америки, начинают исчезать при 88% V. vinifera и в основном пропадают в винах от лоз с 94% V. vinifera. Сейчас мы отбираем среди тысяч потомков с 97% V. vinifera, тестируя их в теплице в экстремальных условиях, чтобы выявить тех, кто обладает максимальной устойчивостью и лучшим качеством вина.

В 2015 году мы выпустим отличный, ещё не названный, отбор с 94% V. vinifera — в нашей лаборатории он называется 07355-075 — который на 50% является Пети Сира и на 25% Каберне Совиньон. В течение года или двух мы выпустим первые устойчивые к PD винные сорта с 97% V. vinifera.

Следующий шаг: множественная устойчивость

Устойчивость растений, основанная на одном гене, часто со временем ломается, поскольку вредители эволюционируют, чтобы преодолеть её. Наша следующая задача — ввести дополнительные формы устойчивости к PD в наши сорта с PdR1, чтобы избежать этой проблемы. Сейчас мы генетически картируем другие формы устойчивости, чтобы разработать ДНК-маркеры для использования в селекции. Эти маркеры будут crucial, потому что нам нужно будет делать выбор на основе генетики; по внешнему виду мы не сможем определить, ген какого родителя отвечает за устойчивость потомства. Только эти маркеры позволят проводить отбор и "накопление" (stacking) множественных уникальных генов устойчивости.

Мы на пороге революции в селекции винограда. Новые сорта должны быть приняты и поддержаны по мере изменения окружающей среды. Селекция на устойчивость к болезням позволит сократить использование пестицидов и расширить выращивание винограда в регионы, где болезни в настоящее время препятствуют или делают невозможным производство качественного вина. Климатические вызовы вместе с общественным давлением с целью сократить сегодняшнее интенсивное использование пестицидов могут запустить золотой век селекции винограда. И всё это можно сделать с помощью классической селекции, усиленной геномикой. Это высокотехнологичный способ гораздо быстрее и эффективнее переносить гены от одного сорта винограда к другому, чем это делалось на протяжении тысячелетий.