Новые геномные модели пасленовых открывают путь к улучшению сельскохозяйственных культур

Более 34 миллионов человек в США испытывают нехватку пищи. Для решения проблем производства продовольствия, усугубляемых изменением климата, необходимы более разнообразные и адаптируемые культуры. Небольшие сладкие ягоды физалиса (groundcherries) сами по себе не накормят страну, но вместе с другими родственными "сиротскими культурами" могут укрепить продовольственные запасы. Однако эти дальние родственники томатов пока не готовы к крупномасштабному производству.

Профессор Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL) и исследователь HHMI Закари Липпман работает над изменением этой ситуации. Вместе с постдоком CSHL и HHMI Цзя Хэ он создал генетические чертежи, или модели, для двух видов физалиса. Эти новые модели могут направить усилия генетиков растений на раскрытие неиспользованного потенциала физалиса. Они также могут стать ключом к масштабированию других пасленовых культур для широкого использования.

"Семейство пасленовых включает более 20 культур. Есть основные культуры — картофель, томат, баклажан — а есть второстепенные, или сиротские культуры, которые либо полуодомашнены, либо просто дикие. Многие из них не получили достаточного исследовательского внимания, но могут иметь больший потенциал для производства, если их дальше развивать", — говорит Липпман.

Физалис идеально подходит в качестве модельного растения семейства пасленовых из-за схожей генетики и долгой эволюционной истории. Он также распространен в Северной Америке, легко выращивается и подвергается генетической модификации. Но, по словам Липпмана, его самый интересный признак — это бумажный, похожий на воздушный шар чехол (вздутая чашечка), окружающий ягоды.

"Кажется, он развивался независимо много раз у цветковых растений. Неясно, является ли это причудой эволюции, адаптивным признаком или и тем, и другим. Но одна вещь, на мой взгляд, совершенно ясна — это одна из самых крутых эволюционных новинок, появившихся у растений", — объясняет Липпман.

Предыдущие исследования пасленовых предполагали, что за появление вздутой чашечки ответственны гены MADS-box. Используя инструмент редактирования генома CRISPR на новых моделях физалиса, Липпман и Хэ отключали гены MADS-box один за другим. Они обнаружили, что растения все равно формировали вздутую чашечку независимо от наличия этих генов. Модели также позволили им обнаружить ген, необходимый для развития вздутой чашечки.

"Без этих геномных ресурсов очень трудно определить молекулярные механизмы, лежащие в основе некоторых признаков, возникших в ходе эволюции. Мы считаем, что с нашим новым ресурсом, нашими новыми геномами, мы можем разобрать весь этот процесс", — говорит Хэ.

Липпман называет новые модели физалиса "образцовыми примерами" того, что будет дальше в его лаборатории. Их цель — создать множество новых моделей растений в семействе пасленовых, что облегчит улучшение культур с помощью редактирования генома. Эти модели также помогут лучше понять эволюционное развитие растений.

"Помимо улучшения сельскохозяйственных культур, эти новые модели могут дать нам средства для ответа на фундаментальный вопрос о том, как новые признаки возникают у растений", — говорит Липпман.

Результаты исследования опубликованы в журнале The Plant Cell.