Почему не все помидоры вкусные

В недалеком будущем геномы новых сортов помидоров биохимики смогут складывать, как маджонг.

А пока среди продавцов популярны малоудачные селекционные двойники традиционных томатов. У них убедительный товарный вид, но практически нет вкуса. Селекционеры, когда выводили эти сорта, добивались равномерного круглогодичного вызревания и равномерной окраски плодов — и в этом преуспели.

Но почему у томатов пропал вкус?

Последние исследования группы английских и испанских генетиков во главе с Энн Пауэлл дают ответ на это вопрос.

А в будущем их наработки, возможно, позволят сконструировать сорт, который будет вкуснее даже лучших традиционных сортов.

Оказывается, равномерное созревание новых сортов помидоров вызывается мутацией, выводящей из строя регуляторный ген GLK2. Этот ген стимулирует развитие хлоропластов в незрелых плодах, преимущественно в их верхней (пристеблевой) части. У растений с испорченным GLK2 незрелые плоды имеют равномерную бледно-зеленую окраску и так же равномерно краснеют.

На первой иллюстрации: слева — незрелый помидор сорта Ailsa Craig с обычным, то есть неравномерным созреванием: «плечи» плода темно-зеленые, низ более светлый (генотип U/U); а справа — плод родственного сорта Craigella с равномерным созреванием (генотип u/u): весь плод бледно-зеленый.

Недостаток хлоропластов в сортах с равномерным созреванием снижает эффективность фотосинтеза. Солнечный свет в этих сортах преобразуется в меньшее количество сахара и других растворимых веществ, это понижает вкусовые качества помидоров и почти лишает их запаха.

Но если вставить в геном таких растений работающий ген GLK2 и заставить его экспрессироваться во всём плоде, а не только в верхней части, можно получить помидоры с даже более высоким содержанием ценных веществ, чем в исходных, неиспорченных селекцией плодах.

Генетический ключ к сочным томатам

Локус в биологии означает фиксированное положение (локализацию) на хромосоме, например положение гена. Вариант последовательности ДНК в данном локусе называется аллелью.

Диплоидные или полиплоидные клетки, которые несут одинаковые аллели на каком-либо локусе называются гомозиготными по этому локусу, а те, которые несут различные аллели — гетерозиготными.

Признак равномерное созревание у томатов определяется генетическим локусом uniform ripening (u), от которого зависит количество и распределение хлорофилла в незрелых плодах. Доминантный аллель U определяет обычное, неравномерное созревание, при котором верхняя часть незрелого плода имеет темно-зеленую, а низ — светло-зеленую окраску. Растения, гомозиготные по рецессивному аллелю u (генотип u/u) дают равномерно созревающие плоды. В незрелом состоянии такие помидоры одинаково бледно-зеленые со всех сторон.

Молекулярная природа локуса u до сих пор была неизвестна. Генетики из США и Испании решили восполнить этот пробел.

Генетическое картирование (genetic mapping) — это определение взаимного расположения различных полиморфных участков генома, например, молекулярно-генетических маркеров по частоте рекомбинаций между ними в процессе передачи генетического материала из поколения в поколение.

Для начала исследователи воспользовались стандартными методами генетического картирования, скрещивая равномерно созревающие сорта (u/u) с дикими родственниками культурных томатов, Solanum pennellii и S. pimpinellifolium, и подсчитывая частоту рекомбинации между локусами. Это позволило выявить небольшой (60 тысяч пар оснований) участок короткого плеча 10-й хромосомы (у томата 12 хромосом в гаплоидном геноме), в котором находится искомый локус u.

Из восьми генов, находящихся в этом участке, главным подозреваемым сразу стал ген GLK2, кодирующий регуляторный белок (транскрипционный фактор) Golden 2-like — важнейший регулятор развития хлоропластов у растений. У наземных растений, от мхов до цветковых, есть два гена со схожими функциями — GLK1 и GLK2 — они активируют множества генов, необходимых для роста хлоропластов и фотосинтеза. В листьях работают оба гена вместе, их функции отчасти перекрываются: для серьезных нарушений фотосинтеза часто бывает недостаточно отключить один из них, нужно вывести из строя оба. Как они работают в сочных плодах, до сих пор не было известно.

Авторы установили, что в листьях томатов, как и у других растений, работают оба гена-регулятора, а в зреющих плодах — только один, GLK2. Они отсеквенировали этот ген у сортов с генотипами U/U и u/u и обнаружили, что в первом случае ген GLK2 кодирует полноценный регуляторный белок длиной в 310 аминокислот. Во втором случае из-за вставки одного лишнего нуклеотида в гене образовался преждевременный стоп-кодон, что приводит к синтезу никуда не годного, «усеченного» варианта белка длиной в 80 аминокислот. Больше никаких различий в нуклеотидных последовательностях между равномерно созревающими и обычными помидорами обнаружено не было.

Таким образом, ген GLK2 — это и есть локус u, а мутация, приводящая к равномерному созреванию, представляет собой его поломку, из-за которой в плодах не вырабатывается важнейший регулятор фотосинтеза.

Помидоры или помаджонги?

Чтобы окончательно убедиться в этом и уточнить детали, авторы провели серию экспериментов с генно-модифицированными томатами, в геном которых были вставлены гены GLK1 или GLK2, заимствованные у другого растения — любимого модельного объекта генетиков резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana).

На иллюстрации справа — Резуховидка Таля. Это небольшое цветковое растение семейства Капустные, произрастающее в Европе, Азии и на северо-западе Африки. Ввиду относительно короткого годичного цикла развития, является удобным модельным организмом в биологических исследованиях. Еще известна под транслитерацией родового латинского названия — арабидо́псис. Геном арабидопсиса является наименьшим известным геномом цветкового растения и первым секвенированным геномом растения.

В экспериментах с томатами гены арабидопсиса вставлялись в комбинации с разными промоторами (регуляторными участками), что заставляло их работать в разных органах растения и на разных этапах развития.

На иллюстрации внизу — стадии созревания плодов контрольного равномерно созревающего помидора u/u (вверху) и двух генно-модифицированных линий, у которых в незрелом плоде экспрессируется ген GLK1 (в середине) или GLK2 (внизу), заимствованный у растения Arabidopsis thaliana.

Оказалось, что если любой из двух генов (GLK1 или GLK2) активируется в незрелом плоде растения с генотипом u/u, то хлоропласты там становятся крупнее и многочисленнее, а сам плод приобретает темно-зеленую окраску. Из-за более активного фотосинтеза в таком помидоре, когда он созревает, оказывается на 40% больше глюкозы и фруктозы. Общее содержание растворимых сухих веществ в соке спелых генно-модифицированных помидоров оказалось на 21% выше, чем у контрольных плодов u/u. Интересно, что у «диких&кaquo; томатов с генотипом U/U этот показатель лишь на 10% выше, чем у равномерно созревающих сортов. Дело, скорее всего, в том, что у нормальных помидоров U/U ген GLK2 работает в основном в верхней части плода, которая и приобретает темно-зеленую окраску, а низ остается светлым. У ГМ-помидоров, с которыми работали ученые, этот ген регулируется другими промоторами, что заставляет его экспрессироваться во всём плоде. Возможно, именно поэтому содержание сахаров и других растворимых веществ в ГМ-плодах оказалось таким высоким.

Не исключено, что авторы открыли метод, как сделать помидоры вкуснее даже самых сочных традиционных сортов.

Правда, непонятно, как надо называть полученные таким способом плоды. Еще помидоры, или уже помаджонги — ведь их сборка напоминает популярную китайскую забаву.

science

elementy