Сбор генов для улучшения арбузов
Когда люди думают об арбузе, они обычно представляют Citrullus lanatus — культурный арбуз со сладкой, сочной красной мякотью. Это один из самых популярных фруктов в мире, уступающий только томату. Однако существует ещё шесть диких видов арбуза, все они имеют бледную, твёрдую и горькую мякоть.
Исследователи провели комплексный анализ геномов всех семи видов, создав ресурс для селекционеров. Это поможет найти в диких арбузах гены, обеспечивающие устойчивость к вредителям, болезням, засухе и другим стрессам, и further улучшить качество плодов. Введение этих генов в культурный арбуз может дать сладкие, высококачественные плоды, способные расти в более разнообразных климатических условиях, что особенно важно в условиях изменения климата.
"За 4000 лет одомашнивания люди отбирали арбузы, которые были красными, сладкими и менее горькими", — говорит Чжанцзюнь Фэй, соавтор исследования. — "К сожалению, по мере того как арбузы становились слаще и краснее, они утратили часть способностей противостоять болезням и другим видам стресса".
Как описано в статье, опубликованной в Nature Genetics 1 ноября, исследователи использовали двухэтапный процесс. Сначала они создали улучшенную версию "референсного генома" — инструмента для поиска новых генов. Фэй участвовал в создании первого референсного генома арбуза в 2013 году на основе восточноазиатского сорта '97103' с использованием технологий короткого чтения. Новая работа использует технологии длинного чтения для создания генома более высокого качества.
Затем группа секвенировала геномы 414 различных арбузов, представляющих все семь видов. Сравнив их между собой и с новым референсным геномом, учёные определили эволюционные взаимоотношения видов.
"Одно из главных открытий: широко используемый в селекции дикий вид C. amarus является сестринским видом, а не предком культурного арбуза, как считалось ранее", — отмечает Фэй.
Анализ показал, что в процессе одомашнивания из арбуза устраняли горечь, увеличивали сладость, размер плодов и окраску мякоти. За последние несколько сотен лет современные сорта стали ещё слаще, ароматнее и хрустящее. Исследователи также обнаружили регионы генома, которые можно использовать для дальнейшего улучшения качества плодов.
В последние 20–30 лет селекционеры скрещивали культурный арбуз с сестринским видом C. amarus и двумя другими дикими родственниками — C. mucusospermus и C. colocynthis — чтобы повысить устойчивость десертного арбуза к нематодам, засухе, фузариозному увяданию и мучнистой росе.
"Сладкий арбуз имеет очень узкую генетическую базу, но дикие виды обладают большим генетическим разнообразием, что даёт им потенциал содержать гены устойчивости к стрессам", — говорит соавтор Амнон Леви, генетик-исследователь USDA. Он планирует сотрудничать с институтом для поиска таких генов, особенно для устойчивости к болезням. "Арбуз восприимчив ко многим тропическим болезням, ареал которых, как ожидается, будет расширяться вместе с изменением климата. Мы хотим попытаться вернуть некоторые утраченные при одомашнивании гены устойчивости".
Исследование частично поддержано USDA National Institute of Food and Agriculture Specialty Crop Research Initiative (2015-51181-24285) и US National Science Foundation (IOS-1339287 и IOS-1539831).
В том же номере Nature Genetics Фэй и коллеги опубликовали аналогичную работу по анализу 1175 образцов дынь, обнаружив 208 геномных регионов, связанных с массой, качеством и морфологией плодов, что полезно для селекции.
Ранее в этом году та же группа опубликовала референсный геном арбуза 'Charleston Gray' — основного сорта C. lanatus в США, — дополнив геном восточноазиатского сорта '97103'.