Исследователи из Китая сообщают об открытии в сое уникального гена-переключателя под названием GmCXE54. Эксперименты показали, что именно этот участок хромосомы отвечает за производство и накопление в корнях изофлавонов — ценных природных соединений, которые делают соевые продукты полезными для здоровья человека, а самому растению служат надежным химическим щитом. Открытие позволяет создавать сорта с устойчивостью к фузариозному увяданию корней.
Изофлавоны представляют собой растительные вещества (фитоэстрогены), ради которых сою массово включают в рацион здорового питания. Для человека они невероятно полезны: снижают уровень холестерина, защищают от сердечно-сосудистых заболеваний и работают как мощные антиоксиданты.
Но сама соя вырабатывает эти вещества вовсе не для человека. Для растения изофлавоны (в особенности соединение даидзеин) — химическая артиллерия. С их помощью корни защищаются от почвенных патогенов, а также привлекают полезные клубеньковые бактерии, которые помогают сое усваивать азот прямо из воздуха. До сих пор генетики не понимали, какие именно шестеренки в ДНК сои заставляют её корни активно накапливать эти защитные вещества. Чтобы разгадать эту загадку, ученые из Китая провели полногеномное исследование крупного семейства растительных ферментов — карбоксилэстераз (CXE).
В ходе компьютерного анализа генома биологи нашли в ДНК сои сразу 56 скрытых генов этого семейства. Сравнив их структуру, ученые поняли, как соя эволюционировала. Оказалось, что в далеком прошлом растение использовало так называемую сегментарную дупликацию. Проще говоря, соя копировала целые куски своих хромосом вместе с генами «про запас». Со временем эти копии начали менять свои функции. Чтобы найти среди 56 претендентов тот самый главный ген, отвечающий за накопление изофлавонов, исследователи провели масштабный генетический скрининг: они проанализировали 209 различных сортов и образцов сои со всего мира.
Буква «С» против буквы «Т»: где прячется суперсила
Внимательно изучив структуру ДНК у разных сортов, ученые обнаружили ДНК-маркер (однонуклеотидный полиморфизм) в 20-й хромосоме сои. Оказалось, что в одном и том же месте у одних сортов стоит нуклеотидная буква С (Цитозин), а у других — буква Т (Тимин). Эта разница полностью меняет свойства растения.
Сорта сои, несущие в ДНК букву С, показывают рекордно высокое содержание даидзеина и общих изофлавонов в корнях. Сорта с буквой Т производят этих полезных веществ гораздо меньше.
Виновником этого разделения оказался конкретный ген — GmCXE54. Чтобы окончательно доказать его силу, ученые провели лабораторный эксперимент: они искусственно увеличили активность («включили на максимум») этот ген в корневой системе сои. Результат подтвердил теорию — корни трансгенных растений тут же начали массово вырабатывать даидзеин, превращаясь в фабрику по производству изофлавонов.
Открытый ген оказался главным элементом системы безопасности сои. Ученые заразили экспериментальные растения опасным грибом Fusarium oxysporum — этот почвенный патоген вызывает фузариозное увядание (гниль корней) не только у сои, но и у других культур.
Опыты показали, что уже через 3 часа после атаки гриба соя начинает экстренно активировать свои защитные гены. При этом у самого устойчивого к болезням сорта сои (индекс ZD27) ген GmCXE54 выдал самую мощную реакцию, мгновенно запустив синтез защитных химикатов и заблокировав продвижение гриба вглубь корня.
Открытие гена GmCXE54 и его «удачной» буквенной копии (аллеля С) дает селекционерам новый инструмент для работы. Теперь с помощью ДНК-чипов можно еще на стадии проростка вычислять те сорта сои, которые гарантированно дадут богатый изофлавонами урожай и смогут выстоять против фузариоза на зараженных полях без использования ударных доз фунгицидов.