Скрытые мутации томатов раскрыты в исследовании 100 сортов
Сегодня учёные выясняют, как физические изменения томата проявляются на уровне генов. Работа может направить современные усилия по улучшению этой культуры, считает исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Закари Липпман.
Он и его коллеги выявили долгое время скрытые мутации в геномах 100 типов томатов, включая дикорастущее растение с оранжевыми ягодами с Галапагосских островов и сорта, обычно используемые для производства кетчупа и соусов.
Их анализ, описанный 17 июня 2020 года в журнале Cell, является наиболее полной оценкой таких мутаций — изменяющих длинные участки ДНК — для любого растения. Исследование может привести к созданию новых сортов томатов и улучшению существующих. Команда показала, что некоторые из выявленных мутаций изменяют ключевые характеристики, такие как вкус и вес.
До сих пор у учёных не было эффективного способа находить эти мутации и изучать их влияние, отмечает Липпман.
Окно в геном
Мутации, изменяющие структуру ДНК путём копирования, удаления, вставки или перемещения длинных её участков, также называются структурными вариациями. Исследования на людях связывают такие вариации с расстройствами, такими как шизофрения и аутизм.
Ограничения технологии генетического секвенирования затрудняли расшифровку длинных участков ДНК, поэтому исследователи не могли получить полную картину структурных мутаций в геноме. Однако учёные подозревали, что эти мутации вносят значительный вклад в признаки растений.
Руководство для томатов будущего
Новое исследование, проведённое в сотрудничестве с Майклом Шацем из Университета Джонса Хопкинса, выявило более 200 000 структурных мутаций в томатах с помощью метода длинного чтения (long-read sequencing). Липпман сравнивает это с панорамным видом на большие участки генома, в то время как более традиционное секвенирование давало лишь «смотровое отверстие».
Большинство обнаруженных мутаций не меняют гены, кодирующие признаки. Но многие из них изменяют механизмы, контролирующие активность генов. Например, один такой ген контролирует размер плода томата. Изменяя структуру ДНК (в данном случае количество копий гена), команда Липпмана смогла повлиять на плодоношение. Растения без гена вообще не давали плодов, а растения с тремя копиями гена давали плоды примерно на 30% крупнее, чем с одной копией.
Команда также показала, как структура ДНК может влиять на признаки, на «замечательно сложном» примере. Они продемонстрировали, что для внедрения важного хозяйственного признака в современные томаты потребовались вместе четыре структурные мутации.
Подобные открытия могут помочь объяснить разнообразие признаков у других сельскохозяйственных культур и позволить селекционерам улучшать сорта. Например, добавление дополнительной копии гена размера к мелким физалисам, близкому родственнику томата, могло бы увеличить их привлекательность.
«Одна из главных целей в сельском хозяйстве — уметь сказать: "Если я мутирую этот ген, я знаю, каким будет результат"», — говорит Липпман. — «Эта область делает важные шаги к такому предсказуемому выведению сортов».