Ученые выяснили, почему крупные помидоры растут на ветке в одиночестве
Биологи раскрыли необычный механизм взаимного действия двух генов "урожайности" томатов, препятствующий росту большого числа крупных помидоров, и научились обходить его, говорится в статье, опубликованной в журнале Cell.
"Может показаться, что большое количество побегов и цветков на каждой ветке должно делать томат более плодовитым, но на самом деле, конечно же, это происходит далеко не всегда. Поддержание столь большого числа плодов требует много ресурсов, и растение не может выдержать такой нагрузки, из-за чего урожайность становится очень низкой", - рассказывает Захари Липпман (Zachary Lippman) из лаборатории Колд Спринг Харбор в Хантингтоне (США).
Липпман и его коллеги уже несколько лет работают над раскрытием секретов плодовитости и вкуса, спрятанных в геноме томатов. В декабре 2011 года они обнаружили в их ДНК особый комплекс генов, управляющих появлением новых цветов на кустах помидор, а в 2013 году - открыли ген sft, модификация которого может повысить урожайность томатов в семь раз.
Экспериментируя с подобными трансгенными помидорами, ученые натолкнулись на необычную комбинацию генов, изучение которой помогло им раскрыть причины одной из главной неудач "зеленой революции" 20 века и селекционеров более древних исторических эпох.
Как рассказывает Липпман, все попытки скрестить "большие" помидоры и их плодовитых, но мелких кузенов, всегда приводили к одному и тому же результату в прошлом. Получались кусты томатов, похожие на метелку, которые давали в лучшем случае небольшое число мелких плодов. В 1970 годах селекционеры решили эту проблему, создав сорт помидоров, не имеющих боковых ответвлений вообще, и больше похожий на лозу винограда, чем на куст "обычных" томатов.
Причина этих неудач, как обнаружили американские генетики, скрывались в генах j2 и ej2, связанных с высокой урожайностью культурных помидор. Первый ген известен ученым достаточно давно, и он отвечает за "лозовидную" форму стебля современных томатов, созданных в 1970 годах, а второй - был связан с размерами и формой листьев у "хвостика" помидора.
Он присутствует в геноме 80% культурных сортов томатов и появился там, как считают Липпман и его коллеги, примерно 8 тысяч лет назад, в то время, когда помидоры только начали одомашниваться предками индейцев Южной Америки. По всей видимости, этот ген был особенно важен для древних селекционеров и сильно влиял на плодовитость томатов в прошлом.
Его комбинация с j2, с другой стороны, является исключительно негативной - она заставляет куст превратиться не в лозу, а в "метелку" с множеством цветов на каждом побеге. Селекционеры, создавшие лозовидные томаты в 1970 годах, сами того не зная, нашли такую комбинацию генов, в которой ej2 был полностью выключенным, что избавило их от проблемы лишних цветов.
Подобный подход, как утверждает Липпман, является неоптимальным - дикие томаты имеют и большое число цветов, и достаточно большой урожай. Если активность гена ej2 понизить, а активность j2 оставить прежней, то тогда можно получить гораздо больше помидоров, чем просто при выращивании "лозовидных" томатов.
Руководствуясь этой идеей, ученые модифицировали ДНК помидоров-"черри" и других сортов томатов и добились увеличения их плодовитости на 39-70% и при этом увеличили размеры плодов на примерно 20%. Подобных же результатов, как считают ученые, можно добиться и для других растений из семейства пасленовых, страдающих от схожих проблем, а также скрещивая природные сорта помидор со схожими мутациями в j2 и ej2.
"Наше исследование помогло нам открыть первый пример того, как один из генов урожайности мешает дальнейшему улучшению сортов растения. Это яркий пример так называемого негативного эпистаза - особых "взаимоотношений" двух мутаций, одна из которых появилась давно, а вторая недавно. Обе мутации были полезными в момент их появления, но их сочетание в одном и том же растении приводит к негативным последствиям", - заключает ученый.
