Скрытые мутации томата выявлены при исследовании 100 сортов

Человеческий аппетит трансформировал помидор — ДНК и все. После многовекового размножения то, что когда-то было южноамериканской ягодой размером примерно с горошину, теперь принимает всевозможные формы и размеры, от вишневидных до здоровенных плодов семейной реликвии.

Сегодня ученые выясняют, как эти физические изменения проявляются на уровне генов — работа, которая может направлять современные усилия по настройке томата, говорит исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Захари Липпман.

В настоящее время он и его коллеги идентифицировали давно скрытые мутации в геномах 100 видов томатов, включая дикорастущие растения апельсина с Галапагосских островов и разновидности, обычно перерабатываемые в кетчуп и соус.

Их анализ, описанный 17 июня 2020 года в журнале Cell , является наиболее полной оценкой таких мутаций, которые изменяют длинные участки ДНК, для любого растения. Исследование может привести к созданию новых сортов томатов и улучшению существующих, говорит Липпман. Исследователи показали, что несколько мутаций, которые его команда определила, изменили ключевые характеристики, такие как вкус и вес.

Предыдущие исследования давно показали, что эти мутации существуют в геномах растений, говорит Липпман, генетик растений в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. «Но до сих пор у нас не было эффективного способа найти их и изучить их влияние», — говорит он.

Окно в геном

Мутации или изменения в четырех типах букв ДНК, содержащихся в клетках организма, могут изменить его физические характеристики. Ученые, изучающие растения, обычно фокусируются на небольшой, легко изменяемой мутации, при которой одна буква ДНК заменяется другой.

Мутации, которые изучала команда Липпмана, намного больше — они изменяют структуру ДНК, копируя, удаляя, вставляя или перемещая длинные участки ДНК в другом месте генома. Эти мутации, также называемые структурными изменениями, происходят по всему живому миру. Например, исследования на людях связывают эти различия с такими расстройствами, как шизофрения и аутизм.

Ученые могут идентифицировать мутации, считывая буквы ДНК, используя технику, известную как генетическое секвенирование. Однако ограничения в этой технологии затрудняют декодирование длинных участков ДНК, говорит Липпман. Таким образом, исследователи не смогли получить полную картину структурных мутаций в геноме.

Несмотря на это, генетики растений подозревают, что эти мутации вносят существенный вклад в свойства растений, говорит Майкл Пуругганан, который изучает рис и финиковые пальмы в Нью-Йоркском университете и не участвовал в новом исследовании. «Вот почему эта статья такая захватывающая», — говорит он. По его словам, команда Липпмана не только нашла эти мутации в томате и его диких сородичах, но и определила, как они функционируют в растениях.

Руководство для будущих помидоров

Новое исследование, в сотрудничестве с Майклом Шатцем из Университета Джона Хопкинса и других, выявило более 200 000 структурных мутаций в томатах с использованием метода, называемого секвенированием с длительным чтением. Липпман сравнивает это с просмотром панорамного окна на больших участках генома. По сравнению с ним, более традиционное секвенирование предлагает только глазок, говорит он.

Большинство обнаруженных мутаций не изменяют гены, которые кодируют признаки. Но ясно, говорит Липпман, что многие из этих мутаций изменяют механизмы, контролирующие активность генов. Например, один такой ген контролирует размер плодов томата. Изменяя структуру ДНК — в данном случае количество копий гена — команда Липпмана смогла изменить производство фруктов. Растения, лишенные гена, никогда не приносили плодов, в то время как растения с тремя копиями гена приносили плоды примерно на 30 процентов больше, чем растения с одной копией.

Команда Липпмана также продемонстрировала, как структура ДНК может влиять на признаки, в примере, который он называет «удивительно сложным». Они показали, что четыре структурные мутации вместе были необходимы для размножения основной черты урожая в современные помидоры.

По словам Липпмана, такого рода идеи могут помочь объяснить разнообразие признаков в других культурах и дать возможность селекционерам улучшать сорта. Например, добавление дополнительной копии гена размера крошечной вишни, близкой родственницы помидора, может повысить их привлекательность, увеличив их, говорит он.

«Одним из святых Граалов в сельском хозяйстве является способность говорить:« Если я мутирую в этом гене, я знаю, каким будет результат », — говорит он. «Поле делает важные шаги в направлении такого рода предсказуемой селекции».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Медицинским институтом Говарда Хьюза . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Майкл Алонге, Синган Ван, Матиас Бенуа, Себастьян Сойк, Лара Перейра, Лей Чжан, Хамсини Суреш, Шривидия Рамакришнан, Флориан Маумус, Даниэль Сирен, Юваль Леви, Том Хай Харел, Гили Шалев-Шлоссер, Зива Амселлэм Хам, Зива Амселлем Хам Кайседо, Дениз М. Тиман, Гарри Клее, Мелани Кирше, Сергей Аганезов, Т. Райкер Раналло-Бенавидес, Захари Х. Леммон, Дженнифер Ким, Джина Робитей, Мелисса Крамер, Сара Гудвин, В. Ричард МакКомби, Сэмюэль Хаттон, Джойс Ван Эк, Джесси Гиллис, Юваль Эшед, Фриц Дж. Седлазек, Эстер ван дер Кнаап, Майкл С. Шатц, Захари Б. Липпман. Основные воздействия широко распространенных структурных изменений на экспрессию генов и улучшение урожая в томате . Cell , 2020; DOI: 10.1016 / j.cell.2020.05.021