Один ген и рекордный урожай томатов

К радости производителей томатов и любителей кетчупа, ученые из израильской лаборатории CSHL и их коллеги из университета Израиля определили ген, который резко повышает урожайность гибридных растений томатов.

Эффект повышения урожайности от этого гена, который является настоящим научным достижением, заключается в том, что он управляет процессом цветения растения, причем в любых сортах помидоров, и самое главное, не зависит от условий выращивания томатов.

“Это открытие имеет огромный потенциал, так как может оказать громадное влияние на многомиллиардную отрасль производства томатов, а так же на разработку приемов ведения сельского хозяйства, чтобы получить максимальную отдачу от других цветущих культур”, – отмечает сотрудник лаборатории CSYL, доктор философии Зак Липпман, один из трех авторов исследования, отчет о котором опубликован в онлайн журнале Nature Genetics.

Соавторы исследования израильский ученый Ури Кригер и профессор Дани Замир.

Группа ученых сделала это открытие во время поиска генов, которые повышают гетерозис – революционный принцип разведения культур, который дал ошеломляющие результаты, например, для кукурузы и риса в прошлом столетии.

Гибридная сила, известная как гетерозис, это чудесное явление, которое в результате скрещивания двух сортов растений дает более эффективное гибридное потомство с более высокой урожайностью. Первые результаты Чарльза Дарвина в 1876 году гетерозиса кукурузы были усовершенствованы Джорджем Шуллом из лаборатории CSHL 30 лет спустя, но как работает гетерозис оставалось загадкой.

В исследовании Шулла предполагалось, что отрицательные явления, угнетающие генную мутацию растения накапливающиеся в каждом поколении из-за процесса инбридинга, можно “скрыть” за счет скрещивания. “Но до сих пор нет единого мнения относительно того, что является причиной гетерозиса”, говорит Липман. “Альтернитивная теория гетерозиса, которая подтверждается нашим открытием, предполагает, что положительные изменения характерны только для с одного гена – эффект называемый “superdominance” или “сверхдоминирование”.

Чтобы найти сверхдоминирующие гены, группа исследователей разработала новый подход обратившись к огромной помидорной “библиотеке мутантов” – коллекции из 5 000 растений, каждое из которых имеет одну мутацию в одном гене, которые вызывают дефекты в на разных этапах развития помидора, такие как величина плода, форма листа и другие.

Отобрав разнообразный набор мутантных растений, большинство из которых дают малую урожайность, группа исследователей скрещивали каждый мутант с нормальным растением и отбирали гибриды с возросшей урожайностью.

В некоторых случаях, наиболее ярких, урожайность увеличивалась на 60%. Исследователи обнаружили, что в этих гибридах урожайность увеличивалась из-за того, что одна нормальная копия и одна мутировавшая копия содержали один и тот ген, который отвечает за производство белка называемого florigen (флориген).

Этот белок, который в 2005 году преподносился как прорывное открытие года в журнале Scince, управляет когда растению надо завершить рост листьев и дать начало росту цветков, которые в свою очередь дают плоды томатов.

У растений подобных помидорам цветение (а следовательно и урожайность) управляется хрупким равновесием между белком флоригена (florigen), который отвечает за цветение, а с другой тесно связанным белком, который тормозит цветение. Изменение только с одной копией гена флоригена вызывает у гибрида повышенное число цветков в течение более короткого времени – ключевой фактор повышения урожайности помидор.

“Это принцип Златовласки”, объясняет Липпман. “То, что мы обнаружили – для получения максимальной урожайности, означает, что вам не нужно думать давать больше или меньше флоригена, а мутация только в одной копии гена является точной дозой флоригена для старта гетерозиса”.

Ученые наблюдали эффект гетерозиса генов в различных сортах помидоров, а также при разных лиматических условиях и разных почвах, как в Израиле, так и в Нью-Йорке, землях лаборатории CSHL, на землях Корнелловской опытной станции садоводства в Риверхеде.

В дополнение к превосходной урожайности, гибриды показали еще одно возможно не менее важное качество – вкус. Томатные растения вырабатывают ограниченное количество сахара, который поровну распределяется в его плодах. И, поэтому у сорта с хорошей урожайностью, в плодах обычно меньше сахара. Так вот примечательно, что ген флоригена повышает сахаристость каждого плода томата.

Ученые уже планируют изучить влияние флоригена в других культурах, в плане запуска гетерозиса и повышения урожайности. Концепция, согласно которой мутация только в одном экзмепляре гена, приводит к повышению урожайности, может иметь далеко идущие последствия для селекции.

“Мутантные растения, как правило отбраковывают, из-за опасения что, оно окажет отрицательное воздествие на продуктивность растения,” – говорит Липман. “Наши результаты показывают, что применение гибридной мутации может оказаться мощным средством повышения урожайности не только томатов, а всех культур”.