Генетики выяснили, почему помидоры стали невкусными

Слева — незрелый помидор сорта «Ailsa Craig» с обычным, то есть неравномерным созреванием (генотип U/U). Справа — плод родственного сорта «Craigella» с равномерным созреванием (генотип u/u)
Слева: незрелый помидор сорта «Ailsa Craig» с обычным, то есть неравномерным созреванием: «плечи» плода темно-зеленые, низ более светлый (генотип U/U). Справа: плод родственного сорта «Craigella» с равномерным созреванием (генотип u/u): весь плод бледно-зеленый. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

В течение последних 70 лет селекционеры вывели ряд сортов томатов с равномерно созревающими плодами. Это облегчило сбор и реализацию урожая, но плохо сказалось на вкусовых качествах помидоров. Биологи из США и Испании расшифровали генетическую основу произошедшего изменения. Оказалось, что равномерное созревание 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. При этом из-за пониженного уровня фотосинтеза в них образуется меньше сахаров и других растворимых веществ, что и лишает помидор вкуса и аромата. 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 еще более высоким содержанием ценных веществ, чем в исходных, неиспорченных селекцией плодах.

Равномерно созревающие сорта томатов (Solanum lycopersicum) нравятся производителям, потому что их легче собирать и продавать: сразу видно, когда плод созрел, и не приходится гадать, что делать с плодами, которые с одного бока уже красные, а с другого еще не очень. Правда, такие помидоры водянисты на вкус, в них понижено содержание сахаров, но что поделаешь: массовое производство требует жертв.

Признак «равномерное созревание» 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. Для начала они 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.

Сорта томатов, использовавшиеся для генетического картирования: два равномерно созревающих сорта с генотипом u/u (M82 и Moneymaker), два диких родственника культурных томатов (Solanum pennellii и S. pimpinellifolium) и их гибриды
Сорта томатов, использовавшиеся для генетического картирования: два равномерно созревающих сорта с генотипом u/u (M82 и Moneymaker), два диких родственника культурных томатов (Solanum pennellii и S. pimpinellifolium) и их гибриды. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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, роль которых состоит в активации множества генов, необходимых для роста хлоропластов и фотосинтеза. В листьях работают оба гена вместе, причем 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.

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). Гены вставлялись в комбинации с разными промоторами (регуляторными участками), что заставляло их работать в разных органах растения и на разных этапах развития.

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
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. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

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 помидоров «дикого типа» 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 исследователи, 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 изобрели способ, как сделать помидоры сверхвкусными. К сожалению, о вкусовых качествах помидоров они умалчивают, ограничившись сухими цифрами и графиками содержания сахаров и каротиноидов.

Хочется верить, что эта работа — первый шаг к избавлению человечества от красивеньких с виду, но безвкусных овощей.

Источник: Ann L. T. Powell, Cuong V. Nguyen, Theresa Hill, KaLai Lam Cheng, Rosa Figueroa-Balderas, Hakan Aktas, Hamid Ashrafi, Clara Pons, Rafael Fernández-Muñoz, Ariel Vicente, Javier Lopez-Baltazar, Cornelius S. Barry, Yongsheng Liu, Roger Chetelat, Antonio Granell, Allen Van Deynze, James J. Giovannoni, Alan B. Bennett. Uniform ripening Encodes a Golden 2-like Transcription Factor Regulating Tomato Fruit Chloroplast Development // Science. 2012. V. 336. P. 1711–1715.

Александр Марков


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • Mad_Max  | 07.07.2012 | 21:46 Ответить
    Исслелование супер! Хороший пример как фундаментальная наука (исследование, расшифровка, модификация ДНК) начинает перетекать (через более десятка лет исследований) в практические/прикладные результаты.

    Я все задавался вопросом почему большинство магазинных помидоров(даже "грунтовых", а не только тепличных/гидропоники) невкусные. Красивые, ровные, равномерно красные, но совсем не вкусные.
    А свои собственные (самостоятельно в деревне выращенные или у соседей купленные) несмотря на мелкие дефекты(трещики/болячки на кожице, неровную форму) и как раз неравномерное созревание (один бок уже красный, другой еще бледно зеленый) намного вкуснее.
    Исправив ошибку в ген. коде похоже можно сочетать и практичность для промышленности и вкусовые качества.
    Жаль правда, это будет уже считаться ГМО. И особо фанатствующие экологи будет потом кричать, что это ГМО очень вредное и опасное с требованием это запретить...
    Ответить
    • Olexa > Mad_Max | 12.07.2012 | 20:58 Ответить
      Правильно ли я поинмаю, что генетика могла бы служить довольно мощным инструментом и при "традиционной" селекции? Определить, какой генотип необходимо получить (в данном случае выяснен интересующий ген, задача ещё сделать так, чтобы он экспрессировался по всему плоду), что отобрать для скрещивания, чтобы получить желаемый результат возможно меньшим количеством поколений, и контролировать отбор на уровне генома, а не по внешним признакам. В результате будет получен организм абсолютно естественный, без каких-либо изменений в его генах или генах его предков. Не ГМО.

      Конечно, могут быть и ситуации, когда достичь желаемого результата можно было бы только скрещиванием нескрещиваемого. То есть, это не на все случаи. Но не забываем про мутагенез (радиационный, химический). На него, вроде бы, так бочку не катят, как на ГМО?
      Ответить
      • Mad_Max > Olexa | 12.07.2012 | 22:01 Ответить
        Правильно, только это по сути бессмысленно. Ибо "в результате будет получен организм абсолютно естественный", но и ничем (если не произошло побочных ненужных мутаций в просессе отбора) от полученного при помощи генной инженерии не отличающийся. И сказать ГМО он или не ГМО изучая только результат нельзя (опять же если только инженеры внося изменения специально не оставили в коде какую-нибудь "визитную карточку" - спец. маркировку в неактивной части ДНК, по которой их продукт можно отследить). Разница только в том каким способом результат был получен. Селекция это тоже ведь целенаправленное изменение генома организмов, но не напрямую, а путем наблюдения за множеством хаотических мутаций и отбора из них ведущих к нужным(полезным) изменениям на макроуровне. А ГМО - внесение нужных изменений непосредственно напрямую.
        Большинство современных "культурных" с/х растения это же жуткие "мутанты" разительно отличающиеся от своих природных предков. Благодаря как раз селекции. Поэтому "идейные" противники ГМО против селекционных продуктов особо и не возражают. Ибо если их пересадить только на "природные" - очень быстро взвоют (офигев от цен на продукты и их потребительских "качеств"). А где-то (в слаборазвитых странах) начнутся даже войны и революции (из-за голода, спровоцированного резким уменьшием про-ва, которое перераспредилится в пользу более платежеспособных развитых стран).

        С ГМО думаю со временем будет так же. Просто сейчас ГМО в основном несет преимущества только для производителей (больше урожайность, устойчивость к вредителям, к засухе, стойкость к гербецидам и т.д.) и можно "воротить нос" и протестовать против ГМО для себя лично(и вообще потребителей) ничего особо не теряя. Если будут будут массово появляться ГМО улучшающие именно потребительские свойства - большинство "идейных" противников быстро заткнутся и начнут трескать ГМО. Останется только небольшая кучка действительно идейных.

        Разве что такой подход ("селекция" с подгоном под нужный результат, который известен благодаря генной инженерии), позволит производителю обойти законы на ГМО (обязательная маркировка, ограничения на ввоз в нек. страны). Не удивлюсь если такие продукты (полученные подобным путем) уже есть на рынке. Только это не афишируется, дабы избежать обвинений и нападок со стороны "экологов", что дескать это всего-лищь юридическая лазейка дабы обойти закон, а на самом деле это ГМО! :)
        Ответить
        • Olexa > Mad_Max | 13.07.2012 | 10:40 Ответить
          : но и ничем (если не произошло побочных ненужных мутаций в просессе отбора) от полученного при помощи генной инженерии не отличающийся

          А не остаётся ли каких-либо хвостов или обломков служебного генетического кода, предназначенного для контроля успешности переноса, или для собственно транспортирования целевого кода?

          : Просто сейчас ГМО в основном несет преимущества только для производителей (больше урожайность, устойчивость к вредителям, к засухе, стойкость к гербецидам и т.д.)

          В отношении помидоров ещё вот лёжкость, например:

          http://elementy.ru/lib/431512/431514
          Ответить
      • Nashev > Olexa | 24.03.2013 | 22:43 Ответить
        Да, всё верно - и прецедент уже недавно был, кажись я его у http://flavorchemist.livejournal.com/ видел... Селекция, с оценкой промежуточных результатов результатов генетиками. По факту - форсированная и целенаправленная. Но - "Не ГМО" %)
        Ответить
        • denis_73 > Nashev | 30.06.2016 | 22:00 Ответить
          Статья Сергея Белкова:
          http://flavorchemist.livejournal.com/160611.html
          Ответить
    • Atropos > Mad_Max | 09.09.2012 | 11:58 Ответить
      Вот и пускай противники ГМО едят невкусные помидоры. Поделом им!
      Ответить
      • Андрей Индукаев > Atropos | 07.03.2013 | 18:21 Ответить
        Противники ГМО и сторонники селекции, если точнее)
        Ответить
  • EnigMan  | 08.06.2013 | 23:14 Ответить
    Возможно я тут не по теме, но все же. Недавно с удивлением узнал, что якобы семена ГМ растений нежизнеспособны, и этим фактов противники ГМО пугают обывателей. Может кто-нибудь сможет прокомментировать это или поделится ссылками по теме с достоверной информацией.
    Ответить
    • xadad > EnigMan | 15.06.2013 | 07:12 Ответить
      Я не специалист, но вроде как ситуация такая:
      Дело не в том, что семена всех ГМ-растений нежизнеспособны, а в том что компании производящие ГМ-растения изменяют их ,помимо того изменения которое даёт желанные качества , еще и таким образом, чтобы они были нежизнеспособными. Это делается исключительно в интересах прибыли, через введение практики патентования ГМ-растений и сохранения возможностей его производства исключительно этой компанией. Такая политика, естественно, сильно бьет по крестьянам - раз закупив такое зерно, они попадают в зависимость от компании, теряют возможность накапливать собственный семенной запас.
      Ответить
      • femidav > xadad | 21.12.2013 | 17:04 Ответить
        Современные фермеры и так не занимаются производством семян.
        Ответить
  • denis_73  | 29.01.2017 | 13:23 Ответить
    Новая статья:
    https://nplus1.ru/news/2017/01/27/maketomatogreatagain
    «Генетики нашли способ вернуть томатам былой аромат»
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»