Дикие и декоративные яблони обладают поразительной устойчивостью к суровому климату и парше, но магазинные сорта часто оказываются беззащитными перед капризами погоды и болезнями. Международная группа генетиков на основе масштабного пан-геномного атласа рода Malus (Яблоня) приступила к созданию платформы скоростной селекции. Разгадав 56-миллионную историю эволюции фрукта, ученые обнаружили, что в процессе одомашнивания человек случайно заблокировал генетические «магистрали», отвечавшие за устойчивость деревьев к холоду и болезням, — за этот парадокс оказалась ответственна мутация в гене MdMYB5, подарившая плодам сладость. Теперь с помощью CRISPR-редактирования и ДНК-чипов исследователи будут выводить супер-выносливые сорта яблони, полностью сохраняя десертный вкус плодов.
Международные консорциумы ученых, развивая концепцию крупномасштабного пан-геномного атласа рода Malus (Яблоня), продолжают работать с переносом устойчивости от дички к культурным сортам путем редактирования генома.
Международная группа генетиков ранее построила первый масштабный пан-геномный атлас рода Malus (яблоня), охвативший 56 миллионов лет эволюции растений.
Исследование выявило «скоростные участки» ДНК, которые защищали дикие деревья от экстремального холода и болезней. Однако, как выяснилось, в процессе одомашнивания человек случайно заблокировал эти защитные блоки ради вкуса и размера плодов. Теперь ученые ищут способ вернуть дикий иммунитет культурной яблоне.
Ученые впервые полностью секвенировали и собрали высококачественные геномы 30 различных видов яблонь, представляющих основные эволюционные линии планеты. В выборку вошли как сложные полиплоидные виды (имеющие тройной или четверной набор хромосом), так и классические диплоидные сорта, включая популярный «Голден Делишес».
Результаты масштабной работы были опубликованы в журнале Nature Genetics. Масштабное исследование возглавил профессор Хун Ма из Университета штата Пенсильвания (Penn State) совместно с международной командой биологов.
Сравнив последовательности почти 1000 общих генов, авторы работы построили точнейшее филогенетическое древо рода Malus. Биогеографический анализ подтвердил, что общие предки современных яблок зародились около 56 миллионов лет назад в Азии, пройдя через сложнейший путь скрещиваний и удвоений генома. Чтобы разобраться в этом хаосе данных, биологи применили самый передовой метод — пан-геномику, создав единую цифровую матрицу ДНК всего рода Яблоня.
С помощью специально разработанного вычислительного алгоритма команда профессора Хун Ма искала в пан-геноме следы так называемых «селективных разверток» (от англ. selective sweeps). В эволюционной биологии так называют участки ДНК, которые под давлением естественного отбора меняются на максимальной скорости. Если какая-то мутация дает организму колоссальное преимущество для выживания, она стремительно распространяется по популяции, буквально вытесняя альтернативные варианты генов.
Такие «эволюционные магистрали» ученые обнаружили у выносливых диких видов яблонь. Запущенные эволюцией участки ДНК содержали плотные группы генов, отвечающих за экстремальную морозостойкость и мощный иммунный ответ против опасных патогенов — в частности, против парши яблони (возбудитель — гриб Venturia inaequalis).
Парадокс гена MdMYB5: цена за сладость
Когда древние люди начали одомашнивать яблоню, их интересовали исключительно вкусовые качества: плоды должны были быть крупными, сочными и, главное, сладкими, без характерной для дичек вяжущей горечи и кислоты.
Проводя искусственный отбор, человечество преуспело, но интегральный генетический анализ выявил скрытую драму. Ученые обнаружили ключевую мутацию в транскрипционном факторе MdMYB5. Именно этот ген управляет сложной химией плода. Изменение структуры гена MdMYB5 избавило культурные яблоки от едких защитных танинов и сделало их десертными, но одновременно с этим активированная мутация «выключила» те самые эволюционные магистрали защиты. В погоне за вкусом люди случайно лишили одомашненные деревья природной стойкости к заморозкам и болезням, сделав сады уязвимыми.
Созданный учеными пан-геномный граф дает селекционерам точные молекулярные маркеры. Зная точные координаты регуляторных сетей вокруг гена MdMYB5, генетики могут использовать технологии точечного редактирования (такие как CRISPR) или ускоренную маркерную селекцию. Это позволит «перепрошить» коммерческие сорта яблок: вернуть им механизмы защиты диких предков от вымерзания и грибковых инфекций, полностью сохранив привычную сочность, хрусткость и сладость на полках супермаркетов.
Возвращение иммунитета
Разгадав эволюционную загадку гена MdMYB5, исследователи не остановились на теории. Команда ученых теперь перешел от теоретического картирования к практическому созданию платформы для скоростной селекции.
Исследователи развивают успех своего пан-геномного атласа в конкретных прикладных направлениях:
1. Переход на CRISPR-редактирование гена MdMYB5. Исследователи больше не просто наблюдают за мутацией, которая лишила яблоки защиты ради сладости. Сейчас в лабораторных комплексах ученые тестируют системы CRISPR/Cas9 для точечной модификации промоторной (регуляторной) зоны гена MdMYB5. Цель текущих экспериментов — изменить экспрессию гена так, чтобы ткани трансгенных линий яблони начали активно синтезировать лигнин, целлюлозу и защитный кутикулярный воск (как у диких предков), но биосинтез сахаров в плодах при этом не заблокировался.
2. Создание ДНК-чипов для маркерной селекции (MAS). Группа завершает разработку коммерческого ДНК-чипа на основе графового пан-генома. На этом чипе закодированы все обнаруженные ими «эволюционные магистрали» и структурные вариации диких видов. Селекционерам больше не нужно ждать 5–7 лет, пока саженец яблони вырастет и даст первые плоды, чтобы проверить его устойчивость к парше или холоду. Достаточно взять каплю сока из новорожденного ростка в пробирке, прогнать через ДНК-чип, и алгоритм сразу покажет, унаследовал ли гибрид идеальный баланс вкуса и дикого иммунитета.
3. Интеграция «спящих генов» редких диких видов. Команда активно расширяет свой атлас, интегрируя в него данные по редким популяциям диких яблонь (таких как балканская Malus florentina и североамериканские эндемики). Ученые ищут в их ДНК другие «селективные развертки», которые помогут культурным яблоням противостоять не только парше, но и солевому и осмотическому стрессу, вызванному текущими изменениями климата.