Генетики поняли, как вернуть помидорам вкус и запах, отнятые селекционерами

Рис. 1. А — помидоры смородинолистного (S. pimpinellifolium, слева) и обычного (Solanum lycopersicum, справа) вида, которые оказались на лабораторном столе исследователей. В — разнообразие форм и размеров обычных помидоров S. lycopersicum. Изображение из статьи Y. Bai, P. Lindhout, 2007. Domestication and Breeding of Tomatoes: What have We Gained and What Can We Gain in the Future?

Современные сорта помидоров, как правило, лишены своего особенного помидорного запаха и зачастую вкуса. Это результат селекции, нацеленной на создание крупных и ярких плодов, привлекательных для глаза покупателя, в ущерб вкусу и запаху. Международная команда ученых выявила химические компоненты, влияющие на вкус и запах почти 400 сортов помидоров. Проведя полногеномные анализы сортов и разновидностей, удалось найти генетические варианты, отвечающие за выработку этих веществ. В результате получили перечень аллельных мутаций, на которые стоит направить селекционные усилия для создания вкусных и ароматных помидоров, столь желанных на нашем столе.

Проблема ухудшения вкуса поступающих на потребительский рынок помидоров, видимо, всерьез обеспокоила человечество. Иначе сложно объяснить финансирование огромного и весьма трудоемкого исследования, проведенного международной командой генетиков, ботаников и селекционеров из семи научных лабораторий мира. Проектом руководили Гарри Клэй (Harry Klee) из Центра растительных инноваций Флоридского университета (США) и Хуан Саньвэнь (Sanwen Huang) из Института сельскохозяйственной геномики Китайской академии сельскохозяйственных наук. Соруководители исследования представляют страны, занимающие два первых места на мировом рынке среди производителей помидоров.

«Элементы» уже писали о более скромном проекте, посвященном изучению вкусовых качеств помидоров (см.: Генетики выяснили, почему помидоры стали невкусными, 04.07.2012). Тогда было показано, что мутация в одном из генов улучшила коммерческие качества сортов (помидоры стали равномернее созревать), но значительно ухудшила их вкусовые качества. В случае с помидорами селекция в пользу коммерции, но в ущерб потребителю скорее всего затрагивает не один этот выявленный ген, а множество. Ведь оценка качества селекционных сортов помидоров идет по признаку размера плодов, их яркому цвету, устойчивости к хранению/болезням, а не по запаху или сахаристости. Так что за полвека активной селекции в угоду коммерческой выгоде помидоры растеряли свои вкусовые и запаховые свойства. Поэтому и стартовало исследование, которое ставило целью выявить варианты генов, отрицательно влияющие на эти качества помидоров, — те аллели, которые появились или стали массовыми в результате селекции.

Ученые исследовали 398 сортов помидоров из коллекций со всего мира. Сюда вошли варианты сортов из старых коллекций, новые сорта, а также для сравнения использовались дикая форма помидора (вид Solanum lycopersicum) и близкий вид — томат смородинолистный (S. pimpinellifolium). Помидоры выращивали на опытной станции во Флориде. Для всех сортов провели полногеномный анализ (одно это уже многое говорит о трудолюбии и мотивированности участников проекта). Далее провели количественный анализ содержания различных химических компонентов спелых плодов. Сюда вошли и летучие вещества, формирующие запахи.

Конечно, оценивали не всю химическую палитру плодов, а только выборочные вещества. Эта выборка была составлена на основе изучения предпочтений потребителей: людям предлагали указать из широкого набора сортов наиболее вкусные или ароматные помидоры. В течение 2010–2016 годов были ранжированы по вкусу и запаху 160 сортов. Затем для этих сортов определили количественный состав метаболитов (сахаров, кислот, солей и т. д.) и сопоставили с оценками потребителей. В результате выявилось 33 составляющих, отвечающих за желанный «помидорный вкус», 9 — за «помидорный запах», и 28 — за оба параметра. Именно эти химические компоненты оценивались для всех отобранных сортов. Но главной частью обсуждаемого исследования стало даже не это.

Основное содержание — сердцевину — работы составили корреляции однонуклеотидных замен (SNP), ассоциированных с «помидорностью», то есть с выявленными химическими составляющими специфического вкуса и запаха. Для этого провели полногеномный поиск ассоциаций (Genome-wide association study) SNP с выбранными химическими признаками. С помощью него вычленили 27 химических признаков, сопряженных с присутствием конкретных SNP. Иными словами, в геномах помидоров нашли мутации, которые ассоциированы с выработкой химических компонентов помидорной специфики.

Затем такое же исследование на сходной сортовой выборке было проведено в Израиле. Снова определяли химические признаки, снова искали корреляции с SNP. Повторное исследование было предпринято для повышения надежности заключений. Кроме того, оно позволило найти те химические различия, которые зависят от среды произрастания. Важно было выявить химические и генетические признаки, общие для помидоров Флориды и Израиля. И такие признаки нашлись. Их оказалось около 20: 15 связаны со вкусом, и 5–6 — с запахом.

Например, одно из таких целевых генетических изменений обнаружилось в гене инвертазы 5 (Lin5). Этот ген находится на том участке хромосомы 9, который, судя по его характеристикам, подвергался сильному отбору на крупноплодность. У современных культивируемых сортов в нем часто присутствует аллель с характерной однонуклеотидной заменой аспарагина (Asn) на аспарагиновую кислоту (Asp). Эта замена сопряжена с уменьшением количества сахаров и одновременно с увеличением размера плодов. Если вырастить трансгенный помидор, у которого будет экспрессироваться исходный вариант Lin5, то помидор получится сладкий; а если с нуклеотидной заменой, то сахара в помидоре станет заметно меньше, и у него будет картонный вкус. Следовательно, в ходе селекции увеличилась частота Lin5 с Asp вместо Asn, из-за чего снизилось общее содержание сахара в плодах и их вкусовые качества. Нашлись и другие мутации, ассоциированные с пониженным количеством сахаров в плодах.

Другой локус на той же девятой хромосоме содержит измененный участок, связанный с продукцией таких летучих веществ, как метилсалицилат и гваякол. Оба они вовлечены в синтез соединений, широко известных в качестве лекарств (ацетилсалициловую кислоту мы знаем как аспирин, а гваякол — это антисептик). Запах помидоров, у которых количество этих веществ увеличено, кажется потребителям не очень приятным. Неудивительно, что помидоры с измененными аллелями в геноме, у которых из-за этого в пять раз больше метилсалицилата и гваякола, потребителям не слишком нравятся. В специальном исследовании удалось выявить генетическое нарушение (изменение в одном из интронов), приводящее к увеличению содержания этих соединений.

Весьма поучительна картина аллельного разнообразия вещества, определяющего запах спелых помидоров — так называемого MHO (6-метил-5-гептен-2-он). Оно помимо того, отвечает и за красный цвет плодов. Селекционеры, ориентируясь на покупательские предпочтения, выводили наиболее красные помидоры. Потому разнообразие аллелей MHO у современных сортов понижено: остались только те варианты, которые дают наиболее глубокий красный цвет (рис. 2). Но при этом обедняется помидорный аромат.

Генетики поняли, как вернуть помидорам вкус и запах, отнятые селекционерами

Рис. 2. Аллельные варианты (R — референтный аллель, A — измененные аллели) MHO у томатов-черри (cerasiforme), старых сортов (heirloom), промежуточных форм (transitional), современных сортов (modern). У современных сортов осталось только два сочетания из всех возможных. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Итак, теперь у селекционеров имеется список мутаций, которые меняют вкус и запах помидоров. Из них около 20 достойны пристального внимания, так как они могут стать целями приложения селекционных усилий для создания ароматных и сладких помидоров. Можно надеяться, что результаты этой работы мы увидим уже скоро, так как для придания, например, запаха требуется лишь чуть-чуть увеличить выработку необходимого ароматического компонента в томатах. На его синтез растению не нужно тратить много ресурсов, так что размеры плодов не сильно уменьшатся. Сложнее будет с сахарами и кислотами, но ради вкусных помидоров можно немного поступиться размерами. Авторы, проведя исследование покупательского спроса, указывают, что люди склонны выбирать помидоры помельче, если у них отменный вкус и запах.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

тринадцать − пять =