Кавуни: поліпшення характеристик шляхом «повернення» генів від диких видів

Коли більшість людей думають про кавун, вони, швидше за все, думають про Citrullus lanatus, культивовану культуру із солодкими, соковитими червоними плодами, які у всьому світі споживають як десерт. Справді, кавун — один із найпопулярніших фруктів (в оригіналі статті справді написано fruits — ред.) у світі, поступаючись лише помідорам, які багато хто вважає овочем. Але є ще шість диких видів кавунів, усі з яких мають бліді, тверді та гіркі плоди.

Тепер дослідники всебічно вивчили геноми всіх семи видів, створивши ресурс, що міг би допомогти селекціонерам рослин знайти гени диких кавунів, які забезпечують стійкість до шкідників, хвороб, посухи та інших негараздів, а також поліпшують якість плодів. Введення цих генів у культурний кавун може дати високоякісні солодкі кавуни, придатні для вирощування в більш різноманітному кліматі, що буде особливо важливо, оскільки зміна клімату дедалі більше кидає виклик фермерам.

«Оскільки люди одомашнювали кавун протягом останніх 4000 років, вони відбирали фрукти, які були червоними, солодкими і менш гіркими», — зазначає Чжанцзюнь Фей, викладач Інституту Бойса Томпсона та співавтор цього міжнародного проєкту.

До слова, плід кавуна, зображений на картині італійського художника Джованні Станкі у XVII столітті, демонструє нерівномірно забарвлену біло-рожеву м’якоть, товсту шкірку і багато темного насіння. Дослідники припускають, що так виглядав кавун якраз десь посередині процесу окультурення.

Які ж види кавуна досліджували вчені? Рід Citrullus містить 7 видів. Єдиний дводольний і найбільш морфологічно унікальний вид, Citrullus naudinianus, зазвичай зустрічається в Африці на південь від Сахари. Citrullus ecirrhosus і Citrullus rehmii адаптовані до пустельного середовища і є ендеміками південної Африки. Citrullus colocynthis вирощують за його лікувальні властивості та олію з насіння, широко поширений у Північній Африці та в Південно-західній і Центральній Азії. Дику форму Citrullus amarus можна зустріти на півдні Африки, а окультурені типи вирощують у всьому середземноморському регіоні, де їх використовують для варення та кормів для тварин та як джерело води. Citrullus mucosospermus вирощують переважно для використання насіння, наразі він поширений у Західній Африці. Крім того, C. colocynthis, C. amarus та C. mucosospermus були використані в селекційних програмах для виявлення нових джерел стійкості до хвороб і шкідників для поліпшення цих характеристик у солодкого кавуна.

Раніше геноми більшості цих видів уже вивчали. Однак дослідження зазвичай були спрямовані на з'ясування взаємозв'язку між цими сімома видами кавунів, і ґрунтувались переважно на генетичному різноманітті, присутньому в обмеженій кількості ядерних і пластидних локусів (ло́кус — місце розташування гена, ділянки або частини ДНК на хромосомі).

Нове дослідження було проведено інакше. Група вчених зробила це за допомогою двоетапного процесу. По-перше, вони створили вдосконалену версію «еталонного генома», який використовується ботаніками та селекціонерами для пошуку нових і цікавих версій генів з їхніх зразків.

«На жаль, оскільки люди робили кавуни солодшими і червонішими, фрукти втратили певну здатність протистояти хворобам та іншим стресам», — каже Чжанцзюнь Фей, який також є ад'юнкт-професором Школи інтегративної науки про рослини Корнельського університету (Adjunct Associate Professor, School of Integrative Plant Science Plant Pathology and Plant-Microbe Biology Section).

Сам пан Фей був співочільником проєкту зі створення першого еталонного генома кавуна з використанням східно-азіатського культурного сорту під назвою 97103, результати якого були опубліковані у 2013 році.

«Цей перший еталонний геном був зроблений за допомогою старих технологій секвенування з коротким прочитанням. Тепер ми мали можливість використовувати сучасні технології послідовного довгого прочитання, тож змогли створити значно якісніший геном, який стане набагато кращим орієнтиром для дослідників кавунів», — каже науковець.

Потім група послідовно поділила геноми 414 різних кавунів, що представляють усі 7 видів. Порівнюючи ці геноми як з новим еталонним геномом, так і між собою, дослідники змогли визначити еволюційні зв’язки різних видів кавунів.

«Одне з головних відкриттів нашого аналізу полягає в тому, що один дикий вид, який широко використовується в поточних селекційних програмах, C. amarus, є сестринським видом, а не прабатьком, як вважалося», — каже  Чжанцзюнь Фей.

Справді, дослідники виявили, що культивований кавун був одомашнений шляхом вилучення гіркоти та збільшення солодкості, розміру плодів та кольору м’якоті. Сучасні сорти були вдосконалені за останні кілька сотень років, шляхом підвищення солодкості, аромату і надання хрусткої текстури. Дослідники також виявили ділянки генома кавуна, які можна добувати для продовження поліпшення якості плодів, наприклад, зробивши їх більш великими, солодкими та хрусткими.

За останні 20-30 років селекціонери схрестили культурний кавун з сестринськими видами C. amarus та двома іншими дикими родичами, C. mucusospermus та C. colocynthis , щоб зробити десертний кавун більш стійким до нематод, посухи та хвороб, зокрема фузаріозного в'янення та борошнистої роси.

Такими методами вдосконалення культури з використанням диких родичів займається Амнон Леві, генетик-дослідник та селекціонер кавунів з Департаменту сільського господарства США Служби сільськогосподарських досліджень, Лабораторії овочів США у Чарльстоні (Південна Кароліна). Пан Леві також є співавтором дослідження та надав генетичний матеріал для багатьох кавунів, використаних у ньому.

«Солодкий кавун має дуже вузьку генетичну базу. Але є велика генетична різноманітність серед диких видів, що дає їм великий потенціал у наявності генів, які забезпечують їм толерантність до шкідників та стресу від умов навколишнього середовища», — зазначає він.

Леві планує взяти участь у дослідженнях, щоб відкрити деякі з цих диких генів, які можна використати для поліпшення десертного кавуна, особливо стосовно стійкості до хвороб.

«Кавун сприйнятливий до багатьох тропічних хвороб та шкідників, чий ареал, як очікується, буде продовжувати розширюватися разом зі зміною клімату. Ми хочемо подивитися, чи зможемо повернути деякі з цих генів стійкості до хвороб, які були втрачені під час одомашнення», — пояснює вчений.

Джерела:  Scitech Daily, Nature