Группа ученых под руководством доцента кафедры биологии факультета искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе Бена Мансфельда достигла прогресса в изучении генетики Malus angustifolia — южной дикой яблони, которая является одним из четырех эндемичных видов диких яблонь Северной Америки.
Этот вид практически никогда не упоминался в истории одомашнивания и селекции садовых культур, из-за чего авторы работы открыто называют его нетронутым генетическим кладезем, способным защитить современные коммерческие сады от болезней и грядущих климатических потрясений.
Доцент Бен Мансфельд уже имел успешный опыт работы с яблонями-дичками: ранее совместно с Кристофером Готтшалком из Министерства сельского хозяйства США (USDA) он собрал геном тихоокеанской дикой яблони и исследовал ее устойчивость к бактериальному ожогу — распространенному и смертельно опасному бактериальному заболеванию, ежегодно уничтожающему огромные площади коммерческих посадок.
Однако южная яблоня-дичка обладает еще более поразительным сочетанием характеристик: она демонстрирует поразительную стойкость как к бактериальному ожогу, так и к различным абиотическим стрессорам.
Растение миллионами лет эволюционировало, чтобы процветать в условиях, с которыми популярные коммерческие сорта яблонь не справляются, включая высокие температуры, затяжную засуху и суровые погодные аномалии. В эпоху стремительного изменения климата, когда разрушительные природные явления происходят все чаще, поиск генетических признаков адаптации становится критически важным для многолетних культур. Яблони сажают не на один сезон, а с расчетом на последующие 25 лет, поэтому селекционеры остро нуждаются в надежном фундаменте для долгосрочного планирования.
Исторически научное сообщество не обладало инструментами для глубокого понимания сложной генетики стрессоустойчивости южной яблони. Небольшая коллекция живых деревьев, хранящаяся в репозитории Министерства сельского хозяйства США в Женеве, штат Нью-Йорк, была слишком скудной для проведения репрезентативных полногеномных исследований.
Ситуацию изменила случайная находка: Кристофер Готтшалк обнаружил ценную коллекцию семян дикой яблони, которая хранилась на складах ведомства на протяжении десятилетий, но оставалась совершенно незамеченной и никогда ранее не подвергалась секвенированию. Новое исследование, проведенное в тесном сотрудничестве с Готтшалком и Зои Мигиковски из Университета Акадии, исправило это историческое упущение.
Объединив усилия, исследователи создали первый в мире высококачественный эталонный геном Malus angustifolia с разрешением по гаплотипам.
С помощью обнаруженной архивной коллекции семян авторы секвенировали геномы более чем 150 дополнительных образцов дикой яблони, собранных по всему природному ареалу этого вида.
Полученную геномную информацию исследователи наложили на подробные климатические данные из мест исторического происхождения каждого конкретного образца.
Такой скрупулезный подход позволил команде Бена Мансфельда точечно выявлять генетические варианты, напрямую связанные с реакцией растения на условия окружающей среды, включая сезонные колебания температур и уровень осадков. В результате ученые идентифицировали 242 участка ДНК, непосредственно отвечающих за адаптацию к агрессивным климатическим факторам.
Ключевой методологической особенностью работы стало то, что исследователи сфокусировались не только на точечных однонуклеотидных заменах (SNP), но и на крупных структурных вариантах в молекуле ДНК.
Ученые приходят к четкому пониманию, что устойчивость видов зависит не только от мутаций отдельных букв кода, но и от масштабных перестроек генома, радикально влияющих на внешние признаки.
Авторов поразило, насколько колоссальным разнообразием структурных особенностей обладают эти дикие яблоки. Данный массив данных поможет селекционерам безошибочно находить полезные участки хромосом дикой яблони и внедрять их в коммерческие сорта. Сделать это можно будет либо с помощью современных методов точечного редактирования генов, либо путем создания новых устойчивых подвоев, при которых уязвимый культурный сорт прививается к мощной, адаптированной корневой системе дикого сородича.
Параллельно команда обнаружила в изученной коллекции семян огромный пласт генетического разнообразия, который до сих пор вообще не был представлен в живых садах Министерства сельского хозяйства США.
В частности, речь идет о диких южных яблонях из штата Миссури, генетика которых ранее полностью выпадала из поля зрения ученых. Теперь эти растения, представляющие собой недостающие звенья природного биоразнообразия, будут официально переданы в коллекцию USDA для создания полной картины местных видов.
В ближайшем будущем лаборатория Мансфельда намерена расширить свои изыскания и заняться изучением других коренных североамериканских дичек — Malus coronaria и Malus ioensis, чтобы оценить их потенциал противостояния бактериальному ожогу.
Однако ценность опубликованного генома выходит далеко за рамки изучения болезней. Поскольку все полученные данные секвенирования выкладываются в открытый доступ, любой ученый в мире сможет использовать их для поиска любых интересующих его признаков, будь то вкусовые качества, сроки цветения или форма плодов.
Улучшение коммерческой яблони, подчеркивают авторы, начинается с признания безусловной ценности диких видов, которые скрывают в себе эволюционные секреты, способные помочь человечеству защитить одну из главных культур в садоводстве.
Источник: Washington University in St. Louis.
На фото: растения южной яблони-дички,включенные в это исследование, были выращены в теплице лаборатории Готтшалка на Аппалачской научно-исследовательской станции по изучению фруктов Министерства сельского хозяйства США в Западной Вирджинии. Автор фото: Кристофер Готтшалк.
