Po wiekach hodowli pomidory przybierają teraz różne kształty i rozmiary, od wiśniowych po mocne owoce rodowe. Naukowcy badają na poziomie genów, w jaki sposób i dlaczego pojawiają się te fizyczne zmiany. Źródło:Lippman Lab/CSHL/HHMI
Ludzkie apetyty zmieniły pomidora — DNA i wszystko inne. Po wiekach hodowli to, co kiedyś było jagodą południowoamerykańską mniej więcej wielkości grochu, teraz przybiera różne kształty i rozmiary, od wiśniowych po mocne owoce rodowe.
Dziś naukowcy badają, w jaki sposób te zmiany fizyczne pojawiają się na poziomie genów – pracy, która może kierować współczesnymi wysiłkami na rzecz udoskonalenia pomidora, mówi badacz z Instytutu Medycznego Howarda Hughesa, Zachary Lippmana.
Wraz z kolegami zidentyfikował od dawna ukryte mutacje w genomach 100 rodzajów pomidora, w tym dzikiej rośliny o pomarańczowej jagodzie z Wysp Galapagos i odmian zwykle przetwarzanych na ketchup i sos.
Ich analiza, opisana 17 czerwca 2020 r. w czasopiśmie Cell , jest najbardziej kompleksową oceną takich mutacji — które zmieniają długie odcinki DNA — dla każdej rośliny. Badania mogą doprowadzić do stworzenia nowych odmian pomidorów i ulepszenia już istniejących, mówi Lippman. Garść mutacji zidentyfikowanych przez jego zespół zmienia kluczowe cechy, takie jak smak i waga, jak wykazali naukowcy.
Wcześniejsze badania od dawna wykazały, że te mutacje istnieją w genomach roślin, mówi Lippman, genetyk roślin z Cold Spring Harbor Laboratory. „Ale do tej pory nie mieliśmy skutecznego sposobu na ich znalezienie i zbadanie ich wpływu”, mówi.
Okno do genomu
Mutacje lub zmiany w czterech typach liter DNA znajdujących się w komórkach organizmu mogą zmienić jego cechy fizyczne. Naukowcy badający rośliny na ogół skupiają się na małym, podatnym na działania rodzaju mutacji, w której jedna litera DNA jest zamieniana na inną.
Mutacje badane przez zespół Lippmana są znacznie większe — modyfikują strukturę DNA poprzez kopiowanie, usuwanie, wstawianie lub przenoszenie długich odcinków DNA w inne miejsce genomu. Te mutacje, zwane również zmianami strukturalnymi, występują w całym świecie żywych. Na przykład badania na ludziach powiązały te zmiany z zaburzeniami, takimi jak schizofrenia i autyzm.
Naukowcy wykazali, że zmienność strukturalna, w tym przypadku liczba kopii genu, może zmieniać owoce. Rośliny z trzema kopiami genu (po lewej) wytworzyły owoce o 30 procent większe niż te z jedną kopią (po prawej). Źródło:M. Alonge i in./Cell 2020
Naukowcy mogą identyfikować mutacje, odczytując litery DNA za pomocą techniki znanej jako sekwencjonowanie genetyczne. Lippman mówi, że ograniczenia tej technologii utrudniły jednak dekodowanie długich odcinków DNA. Dlatego naukowcy nie byli w stanie uchwycić pełnego obrazu mutacji strukturalnych w genomie.
Mimo to genetycy roślin podejrzewali, że te mutacje znacząco przyczyniają się do cech roślin, mówi Michael Purugganan, który badał palmy ryżowe i daktylowe na Uniwersytecie Nowojorskim i nie był zaangażowany w nowe badania. „Dlatego ten artykuł jest tak ekscytujący” – mówi. Zespół Lippmana nie tylko znalazł te mutacje u pomidora i jego dzikich krewnych, ale także określił sposób ich funkcjonowania w roślinach.
Przewodnik dla przyszłych pomidorów
Nowe badanie, we współpracy z Michaelem Schatzem z Johns Hopkins University i innymi, zidentyfikowało ponad 200 000 mutacji strukturalnych w pomidorach przy użyciu techniki zwanej sekwencjonowaniem z długim odczytem. Lippman porównuje to do patrzenia przez panoramiczne okno na duże fragmenty genomu. Dla porównania, bardziej konwencjonalne sekwencjonowanie oferowało tylko wizjer, mówi.
Większość znalezionych mutacji nie zmienia genów kodujących cechy. Ale jasne jest, mówi Lippman, że wiele z tych mutacji zmienia mechanizmy kontrolujące aktywność genów. Na przykład jeden z takich genów kontroluje wielkość owoców pomidora. Modyfikując strukturę DNA — w tym przypadku liczbę kopii genu — zespół Lippmana był w stanie zmienić produkcję owoców. Rośliny pozbawione genu nigdy nie wytwarzały owoców, podczas gdy rośliny z trzema kopiami genu wytwarzały owoce o około 30 procent większe niż te, które miały tylko jedną kopię.
Zespół Lippmana wykazał również, w jaki sposób struktura DNA może wpływać na cechy w przykładzie, który nazywa „niezwykle złożonym”. Wykazali, że do wyhodowania głównej cechy zbioru we współczesnych pomidorach potrzebne są cztery mutacje strukturalne.
Tego rodzaju spostrzeżenia mogą pomóc wyjaśnić różnorodność cech w innych uprawach i umożliwić hodowcom ulepszenie odmian, mówi Lippman. Na przykład, być może dodanie dodatkowej kopii genu rozmiaru do drobnych zmielonych wiśni, bliskiego krewnego pomidora, może zwiększyć ich atrakcyjność, zwiększając ich rozmiar, mówi.
„Jednym ze świętych Graalów w rolnictwie jest możliwość powiedzenia:„ Jeśli zmutuję ten gen, wiem, jaka będzie wydajność ”- mówi. „Pole podejmuje ważne kroki w kierunku tego rodzaju przewidywalnej hodowli”.
Odniesienie:„Major Impacts of Widespread Structural Variation on Gene Expression and Crop Improvement in Tomato” Michael Alonge, Xingang Wang, Matthias Benoit, Sebastian Soyk, Lara Pereira, Lei Zhang, Hamsini Suresh, Srividya Ramakrishnan, Florian Maumus, Danielle Ciren, Yuval Levy, Tom Hai Harel, Gili Shalev-Schlosser, Ziva Amsellem, Hamid Razifard, Ana L. Caicedo, Denise M. Tieman, Harry Klee, Melanie Kirsche, Sergey Aganezov, T. Rhyker Ranallo-Benavidez, Zachary H. Lemmon, Jennifer Kim , Gina Robitaille, Melissa Kramer, Sara Goodwin, W. Richard McCombie, Samuel Hutton, Joyce Van Eck, Jesse Gillis, Yuval Eshed, Fritz J. Sedlazeck, Esther van der Knaap, Michael C. Schatz i Zachary B. Lippman, 17 czerwca 2020, Komórka .
DOI:10.1016/j.cell.2020.05.02
