Siedem gatunków arbuza ma niesamowitą różnorodność. Źródło:Xingping Zhang/Syngenta
Międzynarodowy zespół naukowców kompleksowo przyjrzał się genomom wszystkich siedmiu gatunków arbuza, tworząc zasoby, które mogą pomóc hodowcom roślin w podniesieniu jakości krajowych owoców i ich zdolności do rozwoju w epoce zmian klimatycznych.>
Kiedy wiele osób myśli o arbuzie, prawdopodobnie myśli o Citrullus lanatus , uprawiany arbuz ze słodkimi, soczystymi czerwonymi owocami, popularny na całym świecie jako deser. Rzeczywiście, arbuz jest jednym z najpopularniejszych owoców na świecie, ustępując jedynie pomidorowi – który wielu uważa za warzywo. Ale istnieje sześć innych dzikich gatunków arbuza, z których wszystkie mają blade, twarde i gorzkie owoce.
Naukowcy przyjrzeli się teraz wszechstronnie genomom wszystkich siedmiu gatunków, tworząc zasoby, które mogą pomóc hodowcom roślin znaleźć geny dzikiego arbuza, które zapewniają odporność na szkodniki, choroby, suszę i inne trudności oraz dodatkowo poprawiają jakość owoców. Wprowadzenie tych genów do uprawianego arbuza może dać wysokiej jakości słodkie arbuzy, które są w stanie rosnąć w bardziej zróżnicowanym klimacie, co będzie szczególnie ważne, ponieważ zmiany klimatyczne coraz bardziej stawiają rolnikom wyzwania.
„Gdy ludzie udomowili arbuza w ciągu ostatnich 4000 lat, wybrali owoce, które były czerwone, słodkie i mniej gorzkie” – powiedział Zhangjun Fei, członek wydziału w Boyce Thompson Institute i współkierownik międzynarodowych wysiłków.
Jak opisano w artykule opublikowanym w Nature Genetics 1 listopada naukowcy dokonali tych spostrzeżeń w dwuetapowym procesie. Najpierw stworzyli ulepszoną wersję „genomu referencyjnego”, który jest używany przez naukowców i hodowców roślin do znajdowania nowych i interesujących wersji genów z ich okazów.
Dzicy krewniacy uprawianego arbuza są bardzo zróżnicowani genetycznie, co czyni je prawdopodobnymi źródłami genów, które nadają tolerancję na szkodniki, choroby i stresy abiotyczne, takie jak susza i wysokie zasolenie. Źródło:Xingping Zhang/Syngenta
„Niestety, ponieważ ludzie robili arbuzy słodszymi i bardziej czerwonymi, owoce straciły pewne zdolności do opierania się chorobom i innym rodzajom stresu” – powiedział Fei, który jest również adiunktem w Szkole Integracyjnej Nauki o Roślinach Uniwersytetu Cornell.
Fei współprowadził tworzenie pierwszego genomu referencyjnego arbuza przy użyciu wschodnioazjatyckiej odmiany uprawnej o nazwie „97103”, która została opublikowana w 2013 roku.
„Ten pierwszy genom referencyjny został wykonany przy użyciu starszych technologii sekwencjonowania krótkiego odczytu” – powiedział Fei. „Korzystając z obecnych technologii sekwencjonowania o długim czasie odczytu, byliśmy w stanie stworzyć genom o znacznie wyższej jakości, który będzie znacznie lepszym punktem odniesienia dla społeczności arbuzów”.
Następnie grupa zsekwencjonowała genomy 414 różnych arbuzów reprezentujących wszystkie siedem gatunków. Porównując te genomy zarówno z nowym genomem referencyjnym, jak i ze sobą, naukowcy byli w stanie określić pokrewieństwo ewolucyjne różnych gatunków arbuza.
„Jednym z głównych odkryć z naszej analizy jest to, że jeden dziki gatunek, który jest szeroko stosowany w obecnych programach hodowlanych, C. amarus , jest gatunkiem siostrzanym, a nie przodkiem, jak powszechnie uważano” – powiedział Fei.
Rzeczywiście, naukowcy odkryli, że uprawiany arbuz został udomowiony przez wyhodowanie goryczy i zwiększenie słodyczy, wielkości owoców i koloru miąższu. Nowoczesne odmiany zostały dodatkowo ulepszone w ciągu ostatnich kilkuset lat poprzez zwiększenie słodyczy, smaku i chrupiącej konsystencji. Naukowcy odkryli również regiony genomu arbuza, które można wydobywać w celu dalszej poprawy jakości owoców, na przykład poprzez uczynienie ich większymi, słodszymi i bardziej chrupiącymi.
W ciągu ostatnich 20-30 lat hodowcy roślin krzyżowali uprawiany arbuz z siostrzanym gatunkiem C. amarus i dwóch innych dzikich krewnych, C. śluzospermus i C. kolocynto , aby arbuz deserowy był bardziej odporny na szkodniki, suszę i choroby, takie jak więdnięcie Fusarium i mączniak prawdziwy.
Tego typu ulepszenia z wykorzystaniem dzikich krewnych są tym, co ekscytuje Amnona Levi, genetyka badawczego i hodowcę arbuzów w amerykańskim Departamencie Rolnictwa, Agricultural Research Service, US Vegetable Laboratory w Charleston w Południowej Karolinie. Levi jest współautorem artykułu i dostarczył materiał genetyczny dla wielu arbuzów użytych w badaniu.
„Słodki arbuz ma bardzo wąską bazę genetyczną” – mówi Levi. „Ale wśród dzikich gatunków istnieje duża różnorodność genetyczna, co daje im ogromny potencjał do zawierania genów, które zapewniają im tolerancję na szkodniki i stres środowiskowy”.
Levi planuje współpracować z BTI, aby odkryć niektóre z tych dzikich genów, które można wykorzystać do ulepszenia arbuza deserowego, zwłaszcza w zakresie odporności na choroby.
„Arbuz jest podatny na wiele chorób tropikalnych i szkodników, których zasięgi będą nadal rosnąć wraz ze zmianą klimatu” – mówi Levi. „Chcemy zobaczyć, czy możemy przywrócić niektóre z tych genów odporności na dzikie choroby, które zostały utracone podczas udomowienia”.
Inni współautorzy to badacze z Pekińskiej Akademii Nauk Rolniczych i Leśnych oraz Chińskiej Akademii Nauk Rolniczych.
Badanie zostało częściowo wsparte funduszami Narodowego Instytutu ds. Żywności i Rolnictwa Specjalistycznej Inicjatywy Badań nad Uprawami USDA (2015-51181-24285) oraz amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (IOS-1339287 i IOS-1539831).
W tym samym wydaniu Nature Genetics Fei i współpracownicy opublikowali również podobny artykuł analizujący 1175 melonów, w tym odmiany kantalupa i spadzi. Naukowcy odkryli 208 regionów genomowych powiązanych z masą owoców, jakością i cechami morfologicznymi, które mogą być przydatne w hodowli melona. Te dwa artykuły były również tematem artykułu redakcyjnego i artykułu News &Views w czasopiśmie.
Na początku tego roku Fei, Levi i współpracownicy opublikowali genom referencyjny arbuza „Charleston Gray”, głównej amerykańskiej odmiany C. lanatus w celu uzupełnienia genomu wschodnioazjatyckiego „97103”.
