Винные сорта винограда несут высокую вредоносную генетическую нагрузку

Исследователи из Китайской академии сельскохозяйственных наук применили машинное обучение к генетическим данным дикого и культурного европейского винограда.

В исследовании "Адаптивная и неадаптивная интрогрессия в одомашнивании виноградной лозы", опубликованном в PNAS, изучалась история генетической гибридизации между культурным виноградом и его дикими европейскими родственниками. Происхождение прослежено до единичного события одомашнивания винных сортов.

По данным авторов, культурная виноградная лоза распространилась в Европу около 3000 лет назад. Археологические данные датируют первое одомашнивание примерно 5900 годом до н.э., с распространением разновидностей sylvestris на Южном Кавказе, в северной части Плодородного полумесяца и Леванте.

После одомашнивания виноград распространился по всему Средиземноморью, диверсифицировавшись во множество локально адаптированных сортов. В последние 3000 лет виноградная лоза укоренилась в Европе, где импортированные сорта вступили в контакт с генетически отличными дикими популяциями sylvestris.

Некоторые регионы генов винного винограда, связанные с синтезом ароматических соединений, были обогащены "дикими" версиями. Это говорит о том, что европейский дикий виноград был важным ресурсом для улучшения вкуса винных сортов.

Команда собрала существующие данные секвенирования 305 образцов и провела секвенирование 40 образцов из коллекций зародышевой плазмы винограда USDA в Дэвисе (Калифорния) на платформе Illumina HiSeq 4000. Совокупная коллекция охватила широкий ареал распространения дикого и культурного винограда по всему миру.

Анализ популяционной генетики на основе машинного обучения выявил свидетельства единичного события одомашнивания виноградной лозы с последующим непрерывным потоком генов между европейским диким виноградом (EU) и культурными сортами на протяжении последних ~2000 лет.

В ходе событий гибридизации и целенаправленного селекционного улучшения в геном были введены фрагменты с более высокой вредоносной нагрузкой. Большинство вредоносных однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs) и структурных вариантов скрыты в гетерозиготном состоянии.

Авторы предполагают, что полезные эффекты гибридизации несут потенциальную цену, так как в определенных регионах повышено количество известных вредоносных вариантов. Выявление полезных и вредоносных вариантов может стать важным фактором для более геномно-ориентированной стратегии селекции виноградной лозы.

Насколько вредоносная?

Предположение о вредоносной нагрузке основано на сегментах ДНК, которые не являются специфически полезными — обычно это некодирующие участки, которые в диких растениях, как правило, устраняются естественным отбором.

Стоит отметить, что вредоносную нагрузку можно найти у любого одомашненного растения: картофель, томаты, рис, соя и кукуруза — все имеют много дополнительных геномных компонентов, которые естественный отбор не удалил из-за человеческой селекции. Хотя, возможно, и можно сконструировать геномы растений с меньшей вредоносной нагрузкой, неясно, окажет ли это положительный эффект на само растение, поскольку эти регионы обычно неактивны.

Наличие регионов, не критичных для функции организма, может быть даже преимуществом. Если случайная мутация происходит в критическом гене, последующий эффект будет вредным для организма. Если та же случайная мутация произойдет в гене из "вредоносной нагрузки", результат будет менее пагубным. Около 98% человеческого генома некодирующие, и хотя не вся "мусорная ДНК" совершенно бесполезна, она является комфортным буфером против действительно вредоносных эффектов случайных мутаций, изменяющих кодирующие гены.

В исследовании также рассматривался столовый виноград. У этих сортов было обнаружено в 100 раз меньше событий гибридизации, что позволяет предположить: пока винные сорта проходили интенсивное селекционное улучшение, столовый виноград был идеален с самого начала.