Исследователи проследили происхождение картофеля и изучили его нераскрытый потенциал

Картофель был одомашнен от дикого вида, произрастающего в Андах на юге Перу, 8 000–10 000 лет назад. В XVI веке испанские конкистадоры, вероятно, перевезли этот корнеплод через Атлантику.

Команда исследователей проследила генетическую линию картофеля, чтобы понять, как проходило его одомашнивание и как менялась его ДНК со временем.

«Мы секвенировали геномы спектра картофеля, произрастающего в Южной Америке — Перу, Боливии и Эквадоре», — сказал Ричард Вейе, руководитель исследования. «На континенте можно увидеть целую радугу картофеля. То, как он перемещался и был одомашнен, обсуждается много лет».

Вейе и его аспирант Паркер Лэймбир из Виргинского технологического университета совместно с коллегами из Университета штата Мичиган провели проект по изучению генома растений при финансировании Национального научного фонда. Их работа недавно опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Результаты углубляют наше понимание того, как был одомашнен картофель и какие гены важны. Мы также определили потенциальные гены для будущего улучшения и показали, как высокопроизводительное секвенирование генома предоставляет новые инструменты», — отметил Вейе.

Чтобы узнать больше об этой культуре (третьей по важности для прямого потребления человеком), команда изучила дикие и культивируемые виды, включая картофель с южноамериканских рынков, североамериканские сорта и местные популяции (аналоги «семейным» сортам).

Используя современные геномные подходы, исследователи стремились получить представление о геномном разнообразии, выявить исторические события гибридизации и идентифицировать гены, на которые воздействовали при одомашнивании и которые контролируют важные для сельского хозяйства признаки. Это жизненно важно для продовольственной безопасности.

«Сложность картофеля в том, что он не дает истинного потомства при семенном размножении», — пояснил Вейе.

Другое изменение, сопровождавшее одомашнивание, — снижение фертильности пыльцы. В то время как дикие виды должны быть фертильны для распространения семян, культурные виды размножаются клубнями. Это привело к атрофии фертильности вида, что можно наблюдать на геномном уровне.

Сорт Рассет Бёрбанк, мутант сорта Бёрбанк, был выпущен в 1902 году. До сих пор этот сорт остается самым популярным в США, что подчеркивает давний застой в селекции картофеля.

Однако усилия по лучшему пониманию генетического устройства картофеля сталкивались с проблемами, не в последнюю очередь из-за привычки культуры сохранять по четыре копии каждого гена.

Вейе и Лэймбир изучали вариацию числа копий генов — множественные копии генов в одном организме. В процессе селекции у всех видов растений и животных множественные копии последовательностей ДНК дублируются или удаляются. При рождении организма изменения в результате мейоза производят разные копии разных частей генома. Этот несовершенный процесс позволяет возникать мутациям и дополнительной ДНК. Лишние копии ДНК в некоторых случаях могут быть полезны, приводя к увеличению генетического разнообразия, а в других — вредны, вызывая болезни.

«Из-за генетической сложности картофеля мы не смогли бы провести это исследование без доступа к секвенированному геному картофеля, — сказал Лэймбир. — Секвенированный геном позволяет нам сравнивать все остальные картофели с этим эталоном».

Вейе и его коллега К. Робин Буэлл были частью Консорциума по секвенированию генома картофеля, в который входило около 100 ученых, впервые в мире секвенировавших геном картофеля. Секвенирование, опубликованное в 2011 году, было основано на доступности «удвоенного моноплоидного» картофеля, обозначенного DM, который был разработан в лаборатории Вейе. Относительная генетическая простота этого клубня по сравнению с коммерческими сортами облегчила его секвенирование с использованием технологий нового поколения. Последовательность DM продолжает служить референсным геномом для картофеля.

«Мы выровняли геномы каждого изученного нами картофеля с геномом DM, — сказал Лэймбир. — Теперь, собирая пазл каждого генома картофеля, мы видим картинку на коробке. Это имеет смысл».

Вклад исследовательской группы в лучшее понимание генетического чертежа клубня может помочь селекционерам перейти к успешной схеме выведения желаемых сортов. Например, индустрия производства картофельных чипсов очень избирательно относится к типам используемого картофеля. Идеальные экземпляры для закуски требуют идеального содержания крахмала для получения правильного цвета и текстуры при жарке. Картофель также должен быть правильной формы, с мелкими глазками, чтобы проходить через чипсорезательные машины.

Благодаря работе Вейе и Лэймбира вскоре станет легче вывести идеальный картофель для чипсов или получить доступ к желаемым признакам, таким как повышенная устойчивость к болезням, от диких или примитивных видов. Существующие природные популяции, по их мнению, представляют собой важный источник неиспользованного адаптивного потенциала.