Шёлковый путь содержит геномные ресурсы для улучшения яблок

Шёлковый путь — 6500-километровая торговая артерия между Китаем и Западной Европой (II век до н.э. — XIV век н.э.) — ответственен за появление одного из наших любимых и ценных фруктов: культурной яблони (Malus domestica).

Путешественники собирали яблоки в одном месте, съедали их и выбрасывали огрызки за много миль. Семена прорастали на новых местах, скрещивались с дикими видами, что привело к появлению более 7000 сортов яблок, существующих сегодня.

Гибридизация с дикими видами сделала геном яблока очень сложным для изучения. Международная команда исследователей под руководством Чжанцзюня Фэя (Boyce Thompson Institute, BTI) и Гань-Юаня Чжуна (USDA-ARS, Женева, Нью-Йорк) решила эту проблему, применив передовые технологии секвенирования и биоинформатические алгоритмы для сборки полных наборов обеих хромосом культурной яблони и двух её основных диких предков.

Исследователи обнаружили, что уникальная история одомашнивания яблока привела к появлению неиспользуемых источников генов, которые можно применять для улучшения сельскохозяйственных культур (размер, вкус, сладость, текстура).

"Селекционеры могут использовать эту детальную информацию для улучшения признаков, наиболее важных для потребителей, сегодня это в первую очередь вкус", — говорит Фэй.

"Возможно, что ещё важнее, информация поможет селекционерам создавать яблоки, более устойчивые к стрессам и болезням", — добавил он.

Исследование описано в статье, опубликованной в Nature Genetics 2 ноября, с участием авторов из BTI, Корнеллского университета, Cornell AgriTech, USDA и Шаньдунской академии сельскохозяйственных наук.

От Шёлкового пути до Женевы, Нью-Йорк

Новое исследование стало развитием более ранней работы 2017 года (Nature Communications), которая проследила историю одомашнивания и эволюции яблока вдоль Шёлкового пути.

Последующие обсуждения между Фэем, Чжуном и другими коллегами вдохновили их создать новые, более качественные референсные геномы яблока, применив новые технологии секвенирования и сборки к материалам из USDA Geneva Clonal Repository. Это хранилище, расположенное в Cornell AgriTech, содержит крупнейшую в мире коллекцию образцов яблони, многие из которых можно проследить до Шёлкового пути.

В текущей работе исследователи секвенировали, собрали и сравнили полные референсные геномы трёх видов:

• Гала — популярный коммерческий сорт M. domestica.
• Два основных диких предка: европейская лесная яблоня (M. sylvestris) и дикая яблоня Центральной Азии (M. sieversii), которые вместе составляют около 90% генома культурной яблони.

Результаты предоставляют селекционерам детальные геномные карты, которые могут помочь в создании лучшего яблока.

"Мы хотели разработать новые геномы, особенно диких предков, из-за их огромного потенциала для понимания генетического разнообразия яблока и выявления полезных признаков для селекции новых сортов", — сказал Чжун.

Сравнив три генома, исследователи смогли определить, какой вид-предок передал гены, ответственные за многие признаки культурного яблока. Например, команда обнаружила, что ген, отвечающий за хрустящую текстуру, расположен рядом с геном, делающим яблоко восприимчивым к голубой плесени.

"Теперь, когда мы точно знаем, где находятся эти две области генома, селекционеры могут найти способ сохранить ген текстуры и исключить или отредактировать ген голубой плесени, чтобы получить более устойчивый к болезням сорт", — сказал Фэй.

Обнаружение "потерянных" генов

Команда также собрала пан-геномы для трёх видов. Пан-геном содержит всю генетическую информацию вида, в отличие от референсного генома одного организма. Пан-геномы особенно важны для такого разнообразного вида, как яблоня.

Команда идентифицировала около 50 000 генов в пан-геноме культурной яблони, включая около 2000, которых не было в ранее опубликованных референсных геномах видов яблони. "Эти 'потерянные гены' оказываются очень важными, поскольку многие из них определяют признаки, наиболее интересные для селекционеров яблони", — сказал Фэй.

Используя РНК, выделенную из плодов сорта Гала на разных стадиях, они также идентифицировали гены, связанные с текстурой, ароматом и другими характеристиками плодов, которые предпочтительно экспрессировались между двумя копиями генов.

"Это даёт нам и селекционерам ещё более глубокое понимание генетического разнообразия, лежащего в основе конкретного признака", — сказал Чжун.

"Результаты помогут нашей группе лучше управлять и курировать более 6000 образцов яблони в USDA Geneva Clonal Repository, а также позволят нам предоставлять селекционерам и другим исследователям критически важную генетическую и геномную информацию, связанную с этими образцами", — добавляет Чжун.