Нередко покупатели предпочитают выбирать томаты послаще, однако содержание сахара отрицательно коррелирует с размером плода. В статье, опубликованной в Nature, китайские ученые сообщили о создании сладкого томата путем нокаута двух генов, которые отвечают за деградацию сахарозосинтазы. При этом размер плода и показатели урожайности не изменились.
Credit:
123rf.com
Ни для кого не секрет, что томат — это одна из самых популярных сельскохозяйственных культур во всем мире. Ежегодно в мире производится более 186 млн тонн томатов. Как и другие культуры, они были одомашнены путем отбора по признакам, которые отражают предпочтения человека, например, размер плодов. Сегодня окультуренные томаты в 10–100 раз крупнее своих диких предков. Но за большие размеры приходится платить: как правило, чем крупнее плод, тем меньше в нем доля сахаров, которые отвечают за классический вкус домашнего томата. По этой причине томаты из супермаркетов зачастую «на вкус как вода».
Многие современные исследования направлены на улучшение характеристик сельскохозяйственных культур с целью обеспечения продовольствием растущего населения планеты. Однако стратегиям улучшения часто мешают метаболические и генетические компромиссы, возникающие из-за сцепления генов — оно затрудняет изменение одного гена без влияния на другой. Для томатов, как было сказано выше, ключевыми характеристиками являются сладость и размер плодов. Получение крупных и сладких томатов не только удовлетворит потребительский спрос, но и повлияет на экономическую ценность переработки томатов, позволив сократить расход сырья при производстве томатного соуса.
В ранних исследованиях группа китайских ученых проанализировала связь между 33 соединениями и потребительскими характеристиками томатов. Исследователи выявили 251 ассоциированный локус для 20 признаков. Два локуса были значительно связаны с содержанием глюкозы и фруктозы, что соответствует двум основным локусам количественных признаков, LIN5 и SSC11.1. В новом исследовании этими же авторами была выявлена вставка из 12 п.н. в промоторе SlCDPK27, которая ассоциирована с аллелем высокого содержания сахара в локусе SSC11.1. Редактирование SlCDPK27 и его паралога SlCDPK26 увеличило содержание глюкозы и фруктозы на 30% без ущерба для размера плодов и урожайности.
Полногеномный поиск ассоциаций выявил общий для сладких сортов томатов и диких видов участок, который коррелирует с содержанием сахара. В нем обнаружено шесть генов, один из которых — SlCDPK27 — характеризуется пониженной экспрессией у более сладких сортов. Авторы предположили, что он участвует в отрицательной регуляции уровня сахара.
SlCDPK27 кодирует протеинкиназу, которая активнее экспрессируется в созревающих плодах. Возможно, она играет ключевую роль в процессе развития плодов томата.
Для окончательного выяснения функции SlCDPK27 ученые при помощи CRISPR-Cas9 нокаутировали данный ген у нескольких сортов. В результате были получены более сладкие плоды, что подтвердило роль этого гена в подавлении накопления сахара. Аналогичные мутации в другой близкородственной киназе (SlCDPK26) привели к такому же результату. Томаты с мутациями в обоих генах содержали еще больше сахара по сравнению с одиночными мутантами — это говорит о том, что оба гена способны в некоторой степени снижать содержание сахара в плодах. Обе киназы взаимодействуют с ферментом сахарозосинтазой, которая производит сахарозу, фосфорилируя ее и направляя на деградацию в клетке. Следовательно, в развивающихся плодах, содержащих мутанты этих киназ, повышается как уровень сахарозосинтазы, так и содержание сахара.
Чтобы изучить временной характер экспрессии SlCDPK27, исследователи измерили его относительную экспрессию в тканях околоплодника на разных стадиях развития плода. Анализ с помощью количественной ПЦР с обратной транскрипцией (qRT-PCR) показал, что количество транскриптов SlCDPK27 постепенно увеличивается во время созревания плодов, когда размер плода уже фиксирован. Такая картина экспрессии согласуется с ролью SlCDPK27 как «гена-поглотителя», регулирующего способность плода накапливать фотосинтетические сахара, не влияя при этом на его массу.
Для более подробного анализа авторы получили трансгенные растения, экспрессирующие репортерный ген β-глюкуронидазы (GUS), управляемый промотором SlCDPK27. Активность промотора измеряли на разных стадиях развития плодов. Выяснилось, что ген под его контролем экспрессируется на низком уровне в сосудистых тканях околоплодника на стадии незрелого зеленого плода, и его уровень экспрессии значительно возрастает во время созревания, что согласуется с результатами анализа qRT-PCR. Также было отмечено, что SlCDPK27 экспрессируется в семенах, и, по-видимому, может играть роль в их развитии (особенно на ранней стадии).
У мутантных томатов количество семян в плодах было снижено по сравнению с диким типом, что может говорить о том, что снижение экспрессии SlCDPK оказывает небольшой негативный эффект на развитие семян. Однако у двойного мутанта наблюдалось лишь небольшое, но статистически незначимое снижение скорости прорастания семян. Таким образом, незначительное снижение массы семян, как ожидается, не повлияет на пригодность мутанта для коммерции. Интенсивность фотосинтеза и скорость разделения углерода у нокаутных по SlCDPK растений была сопоставима с диким типом — фотосинтез в листьях не был затронут мутацией в SlCDPK27 и SlCDPK26. Они, скорее всего, регулируют содержание сахара во время созревания плодов, возможно, для контроля распределения продуктов фотосинтеза между плодами и семенами, обеспечивая достаточное количество энергии для роста семян.
Данная работа подтверждает важность сохранения природных популяций — генетическое разнообразие, содержащееся в них, имеет решающее значение для приспособленности растений к быстро меняющейся окружающей среде и служит малоизученным резервуаром генетического материала. Полученные результаты могут быть использованы для изучения других культур: эти гены встречаются у разных видов растений, а механизмы, лежащие в основе производства сахара в плодах, долгое время ставили ученых в тупик.
Источник
Zhang, J. et al. Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty// Nature (2024), Published Online November 13, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08186-2