Как растение с токсичным прошлым может стать климатически устойчивой культурой будущего

Генетические исследования приблизили ученых к разгадке того, как и почему чина посевная (Lathyrus sativus L.) производит свой печально известный токсин. Это открывает путь для превращения этой древней и устойчивой к изменению климата культуры в пищу будущего.

Используя недавно полученную геномную последовательность чины, исследовательская коллаборация под руководством John Innes Centre определила ключевые биохимические этапы, ведущие к производству нейротоксина β-L-ODAP (ODAP).

Доктор Энн Эдвардс (John Innes Centre): "Геномная последовательность чины и полученные в результате биохимические данные представляют собой прорыв в нашем понимании. Это дает возможность вывести сорта с меньшим содержанием ODAP, адаптированные к местным условиям".

Наличие геномной последовательности позволяет использовать генное редактирование и современные методы селекции для создания сортов чины с низким или нулевым содержанием ODAP. Это означает, что чина может внести важный вклад в создание более разнообразной и устойчивой к климату продовольственной системы.

Уже ведутся испытания в теплицах John Innes Centre и полевые испытания, проводимые Международным центром сельскохозяйственных исследований в засушливых районах (ICARDA) в Ливане и Марокко, а также Эфиопским институтом сельскохозяйственных исследований. Они тестируют производительность линий чины с низким содержанием ODAP, скрещенных с местными сортами.

Исследование "Genomics and biochemical analyses reveal a metabolon key to ß-L-ODAP biosynthesis", опубликованное в Nature Communications, дает ключи к разгадке интригующего научного вопроса о том, как и почему чина производит свой токсин.

Что такое чина посевная?

Чина — это культура, выращиваемая во многих регионах мира. Она богата белком и устойчива к засухе и наводнениям. Веками ее использовали как "страховую" культуру, которая выживает, когда другие культуры гибнут. Она безопасна для употребления в рамках сбалансированного рациона.

Однако ее широкое распространение сдерживается из-за содержащегося в ней токсина, который у недоедающих людей может вызывать невролатиризм — заболевание, приводящее к необратимому параличу.

Чина входит в группу "забытых культур" — местных видов, которые играют ключевую роль в питании и средствах к существованию местного населения, но получают мало внимания от селекционеров и исследователей.

Научный прорыв

Используя новую геномную сборку, команда отследила два фермента, которые взаимодействуют, катализируя последние этапы биосинтеза ODAP.

Один из этих ферментов у многих видов растений участвует в удалении оксалата — молекулы, регулирующей фотосинтез, которую также производят грибы как часть стратегии атаки.

У чины этот ферментативный путь был перепрофилирован, что привело к производству ODAP, который обеспечивает альтернативный путь удаления оксалата.

Одна из теорий заключается в том, что токсин производится как своего рода "молекулярный сток" для хранения избыточных молекул, используемых растением для защиты, или продуктов основных процессов, таких как фотосинтез.

Возможная роль этого пути в защите растения означает, что нарушение процесса может иметь нежелательные последствия для растения — это необходимо учитывать при использовании таких подходов, как генное редактирование.

Доктор Питер Эммерих (Norwich Institute for Sustainable Development): "Мы знаем ферменты, ведущие к ODAP, но мы не знаем точных метаболических эффектов нарушения работы разных ферментов разными способами. Путь, ведущий к ODAP, важен для метаболизма других аминокислот, таких как цистеин и метионин, необходимых для здоровья растения. Вполне возможно получить растение без ODAP; однако мы не знаем всех способов, которыми этот путь помогает растению справляться с окружающей средой. Поэтому идеальным результатом может быть чина с меньшим количеством ODAP, но с большим количеством метионина".

Ранее высокий уровень повторяющихся последовательностей в геноме чины затруднял идентификацию генетических последовательностей, кодирующих ферменты, ответственные за производство токсина. Новая геномная последовательность прояснила "дорожную карту".

Доктор Энн Эдвардс: "Готовясь к будущему с усилением изменения климата, нам понадобятся культуры, которые могут справляться с засухой, наводнениями или затоплением соленой водой. Чина переносит такие условия лучше, чем другие бобовые. Теперь, имея генетические ресурсы, есть возможность разработать сорта с низким содержанием ODAP, обладающие агрономическими признаками, адаптированными к местным условиям по всему миру".

Доктор Питер Эммерих: "Но чтобы сорта с низким ODAP принесли пользу людям, они должны быть доступны фермерам и восприниматься ими как выгодные. Именно поэтому мы сейчас работаем с исследователями в области социальных наук из Университета Восточной Англии (UEA), чтобы понять предпочтения фермеров и местные системы семеноводства, и выходим на связь с селекционерами по всему миру, чтобы помочь им использовать разрабатываемые нами ресурсы".

Будущее культуры

Чина, одна из старейших известных культур, сегодня выращивается как "страховая" культура в Эфиопии, Эритрее, Индии, Бангладеш и Непале.

Ее устойчивость к засухе и наводнениям делает ее перспективной культурой для обеспечения продовольственной безопасности в условиях меняющегося климата.

Заболевание невролатиризм, вызываемое токсином β-L-ODAP, проявляется только тогда, когда чину употребляют в пищу в ущерб другим продуктам, например, во времена голода и нехватки — часто когда другие культуры погибли. Надежных моделей безопасного потребления для человека не существует, поскольку этически невозможно тестировать его эффекты.