Генетики знайшли спосіб повернути томатам колишній аромат
Генетики і хіміки з Китаю і США експериментально підтвердили поширену думку про те, що сучасні селекційні сорти томатів за смаком і ароматом істотно поступаються старим культиварам і навіть їх диким предкам. У статті, опублікованій в, вчені не тільки встановили генетичні зміни, які супроводжували цю деградацію, але і запропонували кілька точкових втручань, які могли б повернути помідорам їх колишню ароматність.
В останні кілька років, завдяки сильному здешевленню технології читання ДНК, вченим вперше вдалося почати по-справжньому розбиратися з наслідками традиційної селекції в агрокультурі. Селекція це сліпий процес за самою своєю природою: селекціонери вносять випадкові зміни до ДНК вихідних сортів, а потім відбирають кращі (за якимись заздалегідь обраними критеріями) зразки для подальшого розведення. Які при цьому відбуваються фонові зміни в культиварах - як на рівні геному, так і на рівні фенотипу - селекціонери майже ніколи не знають. Щоб це встановити, потрібно проводити окреме дослідження, яке передбачає секвенування великих обсягів ДНК і взагалі виходить за рамки селекційного підходу. Проводити такі дослідження стало можливим тільки недавно.
Наприклад, робота генетиків із США та Іспанії, опублікована в 2012 році, показала, що в разі селекції за зручними для виробників критеріями можлива одночасна деградація смаку продукту, на яку селекціонер може навіть не звернути увагу. Йдеться про таку особливість сучасних культурних томатів як рівномірне встигання. Плоди сучасних сортів на кожній стадії дозрівання зазвичай мають однорідний колір, - на відміну від диких предків томатів, які спеють від кінчика до черешка і навіть можуть почати розтріскуватися ще до того, як повністю починають. Для виробника це дуже незручно, тому рівномірно поспіваючі сорти істотно популярніші за предкову форму.
Однак така начебто хороша селекційна ознака, як виявилося, одночасно несе з собою істотне зниження смакових якостей продукту. В обговорюваній роботі 2012 року вчені вперше встановили, що рівномірне встигання томатів пов'язане з точковою мутацією, що вимикає один конкретний ген - GLK2, він стимулює розвиток хлоропластів у незрілих плодах багатьох рослин. У селекційних томатах цей ген був вимкнений випадковою мутацією, в результаті чого вони придбали симпатичне рівномірне забарвлення без зелених плям біля череня. Однак зниження кількості хлоропластів одночасно істотно позначилося на кількості вироблюваних в плодах поживних речовин. У результаті такі сорти стали більш водянистими і несмачними, ніж їхні предки.
Нова стаття вчених зі США та Китаю продовжує лінію досліджень, задану роботою 2012 року, проте виводить її на зовсім інший масштаб. В даному випадку вчені досліджували не просто наслідки мутацій одного конкретного гена, а провели масовий аналіз більшості сучасних і багатьох старих традиційних сортів томатів за десятками різних параметрів. Вчені секвенували 328 сортів томатів і їх диких предків, провели їх хімічний аналіз, а третина досліджених сортів була додатково вивчена в експериментах з добровольцями.
Дослідження почалося з визначення набору хімічних сполук, чия наявність має першорядне значення для смаку томатів. Для цього вчені попросили учасників експерименту оцінити за органолептичними якостями сотню різних сортів і проаналізували кореляцію отриманого бала з концентрацією в плодах летючих і нелетючих речовин (вона визначалася на хроматографі). У підсумку вдалося отримати набір з 27 з'єднань, які найбільш важливі для смаку помідорів (склад цього списку був визначений в експерименті, але його довжина, звичайно, чисто суб'єктивна). Далі концентрація всіх 27 речовин у кожному досліджуваному сорті використовувалася як ключова ознака для пошуку генетичних поліморфізмів: вчені шукали такі генетичні особливості, які були б пов'язані з підвищеною концентрацією будь-якої з цих речовин. Отримані дані представлені у вигляді т. зв. манхеттенських графіків, на яких вплив окремих ділянок геному на смак помідорів представлено у вигляді «хмарочосів» - чим вони вищі, тим більш значуща залежність між конкретним геном і ознакою.
З отриманого набору даних поки складно зробити всі можливі релевантні висновки. Цим, очевидно будуть займатися не тільки автори роботи, а й інші вчені. Однак самі автори обговорюють три окремі історії, що відображають те, яким чином селекція вплинула на смак сучасних томатів.
По-перше, вчені виявили досить сильну негативну кореляцію між розміром плодів і концентрацією в них цукрів (глюкози і фруктози), а також взагалі будь-яких розчинних речовин. Як виявилося, насиченість смаку помідорів виявилася тісно пов'язана з, як мінімум, двома генами (крім вже згадуваного GLK2), - це гени Lin5 і SSC11.1. Предкові форми цих генів, представлені в дикому типі і старих «сімейних» сортах призводять до зростання більш дрібних, але при цьому більш насичених органічними речовинами плодів. Цікаво, що закріплення в сучасних сортах альтернативних форм цих генів, - тих, які призводять до формування більш водянистих помідорів, - відбулося явно не випадково. Про це говорить аналіз генетичного оточення генів Lin5 і SSC11, де видно сліди т. зв. селективного вимітання, тобто спрямованого відбору на збереження тільки нинішніх варіантів (детальніше про методи подібного аналізу можна прочитати тут). Очевидно, така картина пояснюється тим, що селекціонери протягом багатьох поколінь намагалися вивести сорти з якомога більшими плодами, що і призвело до закріплення «водянистих» варіантів генів Lin5 і SSC11.
По-друге, вчені виявили, що слабкий аромат соврменных помідорів тісно пов'язаний з підвищеною активністю певного білка, яка з якоїсь причини закріпилася в сучасних сортах. Мова йде про білку E8, який бере участь в регуляції вироблення «гормону дозрівання» етилену. У сортах, де він активний - а це переважна більшість сучасних сортів - у значних концентраціях виробляються пахучі речовини з неприємним для споживачів запахом (метилсаліцилат і гвайякол - речовини з «медичним» запахом, їх концентрація в сучасних сортах збільшена в п'ятеро). Водночас речовини, які асоціюються у людей з ароматними помідорами в таких сортах містяться в меншій концентрації. На щастя, вирішується ця проблема досить просто - придушенням синтезу білка E8, наприклад, за допомогою РНК-інтерференції. Таким чином, нова робота вказує прямий шлях до створення більш ароматних ГМО-томатів.
По-третє, автори статті показали, що суб'єктивний вибір селекціонерами зручних критеріїв відбору може призводити до непомітної зміни звичного запаху овочів і фруктів. Відомо, що значну роль в ароматі помідорів відіграють продукти окислення пігментів каротиноїдів (тих самих, що роблять моркву помаранчевою, а помідори і журавлину червоними). Причому кількість вироблених пахучих речовин безпосередньо пов'язана з кількістю пігменту: чим більше вихідної речовини, тим більше летючих продуктів реакції. Однак різні пахучі речовини утворюються з різних каротиноїдів, і далеко не всі з пігментів існують в плодах в таких концентраціях, щоб бути помітними на око. В результаті може виникнути така ситуація, коли відбір на кількість видимого пігменту без урахування тих, що не видно, призводить до сильної зміни аромату плоду - адже для аромату достатньо навіть нікчемних кількостей летючих речовин, прекурсори яких зовсім не видно на око.
Як показав аналіз вчених, саме така ситуація склалася з пахучими речовинами геранілацетоном і 6-метил-5-гептен-2-оном (або MHO). Перше з них синтезується з мінорних каротиноїдів, таких як фітоен, а друге проіводиться безпосередньо з лікопена - головного червоного пігменту помідорів. В результаті селекції у сучасних сортів концентрація першої речовини виявилася сильно знижена в порівнянні з предковими сортами, а концентрація другого підвищилася. Оскільки зміни відбувалися плавно і їх складно було фіксувати без спеціального аналізу, аромат сучасних помідорів став жертвою тяги селекціонерів до яскравих червоних плодів.
Хороші новини, за словами вчених, полягають у тому, що більшість негативних змін в ароматі і смаку плодів легко виправні, оскільки не вимагають різкого скорочення врожайності. Летючі речовини містяться в плодах в слідових кількостях, так що посилення їх вироблення не вимагатиме від рослини значних витрат. Його можна домогтися точковим введенням в геном «ароматних» варіантів генів, які були виявлені в справжній роботі. Це, потенційно, дозволить зробити помідори набагато смачнішими всіх нині існуючих сортів - як старих, так і нових.
Слід зазначити, що аромат і смак помідорів визначається далеко не тільки природою сорту і генетичними особливостями. Він ще й сильно залежить від умов транспортування. Так, нещодавно вчені показали, що зберігання томатів у холодильнику незворотно псує їх смак. Виявилося, що зниження температури зупиняє процеси дозрівання, пов'язані з виробленням етилену, що призводить до значного зниження ароматності продуктів.