Efter århundraden av förädling tar tomater nu alla möjliga former och storlekar, från körsbärsliknande till rejäl arvefrukt. Forskare retas på genernivån hur och varför dessa fysiska förändringar dyker upp. Kredit:Lippman Lab/CSHL/HHMI
Människans aptit har förändrat tomaten - DNA och allt. Efter århundraden av uppfödning tar det som en gång var ett sydamerikanskt bär, ungefär lika stor som en ärta, nu alla möjliga former och storlekar, från körsbärsliknande till rejäl arvefrukt.
Idag retar forskare ut hur dessa fysiska förändringar dyker upp på genernivå – arbete som kan styra moderna ansträngningar för att justera tomaten, säger Howard Hughes Medical Institutes utredare Zachary Lippman.
Han och hans kollegor har nu identifierat sedan länge dolda dolda mutationer i genomet av 100 typer av tomater, inklusive en apelsinbärig vild växt från Galapagosöarna och sorter som vanligtvis bearbetas till ketchup och sås.
Deras analys, beskriven 17 juni 2020, i tidskriften Cell , är den mest omfattande bedömningen av sådana mutationer - som förändrar långa sektioner av DNA - för någon växt. Forskningen kan leda till skapandet av nya tomatsorter och förbättring av befintliga, säger Lippman. En handfull av mutationerna som hans team identifierade förändrar nyckelegenskaper, som smak och vikt, visade forskarna.
Tidigare studier har länge visat att dessa mutationer finns i växtgenom, säger Lippman, växtgenetiker vid Cold Spring Harbor Laboratory. "Men tills nu har vi inte haft ett effektivt sätt att hitta dem och studera deras inverkan", säger han.
Ett fönster in i genomet
Mutationer, eller förändringar, i de fyra typerna av DNA-bokstäver som bärs i en organisms celler kan förändra dess fysiska egenskaper. Forskare som studerar växter har i allmänhet fokuserat på en liten, löslig typ av mutation, där en DNA-bokstav byts ut mot en annan.
De mutationer som Lippmans team studerade är mycket större - de modifierar DNA:s struktur genom att kopiera, ta bort, infoga eller flytta långa sektioner av DNA någon annanstans i genomet. Dessa mutationer, även kallade strukturella variationer, förekommer i hela den levande världen. Studier på människor har till exempel kopplat dessa variationer till sjukdomar som schizofreni och autism.
Forskare visade att strukturell variation, i det här fallet antalet kopior av en gen, kan förändra frukt. Växter med tre genkopior (vänster) växte frukt 30 procent större än de med en (höger). Kredit:M. Alonge et al./Cell 2020
Forskare kan identifiera mutationer genom att läsa upp bokstäverna i DNA med hjälp av en teknik som kallas genetisk sekvensering. Begränsningar i denna teknik har dock gjort det svårt att avkoda långa delar av DNA, säger Lippman. Så forskare har inte kunnat fånga en fullständig bild av strukturella mutationer i genomet.
Trots det har växtgenetiker misstänkt att dessa mutationer bidrar väsentligt till växternas egenskaper, säger Michael Purugganan, som studerar ris och dadelpalmer vid New York University och inte var involverad i den nya studien. "Det är därför den här tidningen är så spännande", säger han. Lippmans team hittade inte bara dessa mutationer i tomater och dess vilda släktingar, utan bestämde också hur de fungerar i växterna, säger han.
En guide för framtida tomater
Den nya studien, ett samarbete med Michael Schatz vid Johns Hopkins University och andra, identifierade mer än 200 000 strukturella mutationer i tomater med hjälp av en teknik som kallas långläst sekvensering. Lippman liknar det vid att titta genom ett panoramafönster på stora delar av genomet. Som jämförelse erbjöd mer konventionell sekvensering bara ett titthål, säger han.
Majoriteten av mutationerna de hittade förändrar inte gener som kodar för egenskaper. Men vad som är klart, säger Lippman, är att många av dessa mutationer förändrar mekanismer som styr geners aktivitet. En sådan gen styr till exempel tomatfruktstorleken. Genom att modifiera DNA-strukturen - i det här fallet, antalet kopior av genen - kunde Lippmans team ändra fruktproduktionen. Växter som saknade genen gjorde aldrig frukt, medan växter med tre kopior av genen gjorde frukten cirka 30 procent större än de med bara en enda kopia.
Lippmans team visade också hur DNA-struktur kan påverka egenskaper i ett exempel som han kallar "anmärkningsvärt komplext." De visade att fyra strukturella mutationer tillsammans behövdes för att förädla en viktig skördeegenskap till moderna tomater.
Den här sortens insikter kan hjälpa till att förklara egenskapernas mångfald i andra grödor och göra det möjligt för uppfödare att förbättra sorter, säger Lippman. Om du till exempel lägger till en extra kopia av storleksgenen till små malda körsbär, en nära släkting till tomaten, skulle kanske kunna öka deras attraktionskraft genom att göra dem större, säger han.
"En av de heliga gralerna inom jordbruket är att kunna säga, 'Om jag muterar den här genen, vet jag vad resultatet kommer att bli'", säger han. "Fältet tar viktiga steg mot denna typ av förutsägbar avel."
Referens:"Major Impacts of Widespread Structural Variation on Gene Expression and Crop Improvement in Tomato" av 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 och Zachary B. Lippman, 17 juni 2020, Cell .
DOI:10.1016/j.cell.2020.05.021
