Дикий предок томата — геномный резервуар для селекционеров

Тысячи лет назад люди в Южной Америке начали одомашнивать Solanum pimpinellifolium — сорное растение с мелкими, насыщенными по вкусу плодами. Со временем растение эволюционировало в S. lycopersicum — современный культурный томат.

Хотя современные томаты крупнее и удобнее для выращивания, они также менее устойчивы к болезням и стрессам, таким как засуха и засоленная почва.

Исследователи из Boyce Thompson Institute под руководством Чжанцзюня Фэя создали высококачественный референсный геном S. pimpinellifolium и обнаружили участки генома, связанные с вкусом, размером и созреванием плодов, устойчивостью к стрессам и болезням. Результаты опубликованы в Nature Communications 16 ноября.

Этот референсный геном позволит исследователям и селекционерам улучшать признаки, такие как качество плодов и стрессоустойчивость, например, помогая открывать новые гены в современном томате или возвращая гены S. pimpinellifolium, утраченные в процессе доместикации S. lycopersicum.

Хотя другие группы ранее секвенировали S. pimpinellifolium, этот референсный геном более полный и точный благодаря современным технологиям секвенирования, способным считывать очень длинные фрагменты ДНК.

Более старые технологии, считывающие короткие фрагменты ДНК, хорошо идентифицируют точечные мутации, но плохо обнаруживают структурные варианты — вставки, делеции, инверсии или дупликации крупных фрагментов ДНК. Многие известные признаки томата обусловлены именно структурными вариантами, которые также мало изучены из-за сложности их идентификации.

Группа Фэя сравнила свой референсный геном S. pimpinellifolium с геномом культурного томата Heinz 1706 и обнаружила более 92 000 структурных вариантов.

Затем, изучив пангеном томата (базу данных с геномами более 725 культурных и близкородственных диких томатов), исследователи обнаружили структурные варианты, связанные со многими важными признаками. Например, у современного культурного томата есть геномные делеции, снижающие уровень ликопина (красного пигмента с пищевой ценностью), и вставка, уменьшающая содержание сахарозы.

Многие потребители разочарованы качеством и вкусом современных томатов, так как прошлые усилия селекции игнорировали эти признаки в пользу продуктивности и урожайности. Выявление дополнительного генетического разнообразия, зафиксированного в геноме S. pimpinellifolium, дает селекционерам возможность вернуть некоторые из этих важных характеристик в томаты, продающиеся в магазинах.

Исследователи обнаружили множество других структурных вариантов, которые могут представлять интерес для селекционеров, включая варианты в генах устойчивости к болезням, а также в генах, вовлеченных в размер плода, созревание, гормональную регуляцию, метаболизм и развитие цветков, семян и листьев.

Также были найдены структурные варианты, связанные с регуляцией экспрессии генов биосинтеза липидов в кожице плода, что может помочь улучшить сохранность плодов после сбора урожая.

Так много генетического разнообразия было утрачено в процессе доместикации томата. Эти данные могут помочь вернуть часть этого разнообразия и привести к созданию томатов с лучшим вкусом, более питательных и устойчивых.