«Виявлено гени, що відповідають за вміст цукрів у яблуках»

Ріс. 1. Склад яблука

Дослідники з Китаю проаналізували геном яблуні і знайшли в ньому гени, продукти яких беруть участь у перенесенні цукрів у рослині. Спостерігаючи за активністю цих генів на різних стадіях розвитку яблуні і зіставляючи генотипи різних сортів з властивостями їх плодів, вчені виявили три гени, що мають значний вплив на смакові властивості яблук і вміст в них цукрів. Ці дані дозволять визначати селекційну якість яблуень на більш ранніх стадіях і з меншими похибками, що прискорить виведення нових сортів і оптимізує підтримку вже наявних.

Більшість відомих на даний момент сортів яблук (більше семи тисяч) відносяться до одного-єдиного виду — яблуні домашньої (Malus domestica). Судячи з молекулярних даних, цей вид стався від яблуні Сіверса, що виростає і зараз на території сучасного південного Казахстану і Киргизії (R. Velasco et al., 2010. The genome of the domesticated apple (Malus × domestica Borkh.)). Передбачається, що яблуня Сіверса потрапила в Європу завдяки походам Александра Македонського в IV столітті до н. е. У Стародавній Греції вона була одомашнена, були виведені перші культурні сорти, на територію Русі яблуня домашня потрапила тільки в XI столітті. Однак інші види дикої яблуні людина знала і повсюдно використовувала ще з неоліту. Зараз відомо понад 60 видів яблуень, багато з них схрещують з яблункою домашньою для виведення нових сортів, а деякі (наприклад яблуня китайська) цінуються і самі по собі: за плоди або в якості декоративних рослин.

Якість сортового яблука багато в чому залежить від його смаку: в першу чергу від співвідношення цукрів і кислот в його складі. Основні цукри в яблуці це фруктоза, цукрозу, глюкоза і сорбіт. Основні кислоти — яблучна, лимонна і винна (рис. 1).

Недавні дослідження показали, що сучасні сорти яблук всупереч очікуванням містять стільки ж цукру, скільки і їхні дикі родичі. Однак, одомашнення яблуні призвело до зміни співвідношення різних цукрів: знизилася кількість фруктози і глюкози, а вміст цукрози зріс приблизно в 4 рази. Загальна кількість цукру та індекс солодощі яблука (розраховується з властивостей цукрів, їх кількості та співвідношення) залишилися незмінними (рис. 2). Помітні ж для будь-якої з нас відмінності у смаку забезпечені зниженням кількості яблучної кислоти в 2,2 рази порівняно з дикими родичами (B. Ma et al., 2015. Comparative assessment of sugar and malic acid composition in cultivated and wild apples).

Рис, 2. Порівняння складу зрілих яблук 43 диких видів/сортів яблуні (позначені буквою W) з яблуками 321 сорту яблуні домашньої (позначені буквою C). Показано вміст (у мг/г) цукрози (Sucrose), глюкози (Glucose), фруктози (Fructose). Видно, що загальна кількість цукрів (Total soluble sugar) і індекс солодощі (Sweetness index) у диких і сортових яблук приблизно однакові, а кількість яблучної кислоти (Malic acid) у сортових яблук значно нижче. Малюнок зі статті B. Ma et al., 2015. Comparative assessment of sugar and malic acid composition in cultivated and wild apples

Нові сорти яблук — більш плодовиті, більш стійкі до захворювань і, звичайно, більш смачні — продовжують виводити і зараз. Ця справа вимагає багато часу і сил: тільки на дванадцятому році життя яблуня зазвичай дає перший урожай. І навіть якщо прищеплювати черенки, то до першого яблука пройде швидше за все не менше чотирьох років. При цьому цілком може виявитися, що смакові якості плодів залишають бажати кращого і в подальше розведення ця яблуня не годиться. Але якщо буде можливість перевіряти рослини на якість їх плодів ще на стадії проростків і відмітати ті з них, які потім свідомо дадуть шлюб, то виведення нових сортів буде значно оптимізовано.

Якщо зрозуміти, від яких генів залежить вміст тих чи інших речовин у зрілому яблуку (наприклад, цукрів), можна буде впоратися і з деякими іншими проблемами класичної селекції. Справа в тому, що смак яблука і навіть вміст конкретного типу цукру в плоді дуже залежить від зовнішніх умов (погоди, властивостей ґрунту тощо), які неможливо проконтролювати повністю. Тож якість яблук навіть на одній і тій самій яблуні в один і той самий сезон може сильно варіювати, не кажучи вже про відмінності між яблуками різних років. Тому для отримання відносно достовірних даних про якість яблуні, необхідно проаналізувати не один десяток яблук з неї, причому в різні роки, що і було виконано авторами згаданої вище статті. Аналіз же генотипу яблуні дасть нам уявлення про її «схильність» давати більш-менш солодкі яблука, без спотворення результатів.

Цукри в рослинах (насамперед глюкозу) утворюються на останньому етапі фотосинтезу. Незважаючи на те, що в самих яблуках цей процес майже не йде, у міру дозрівання вони стають досить солодкими (набагато солодше листя, в якому фотосинтез якраз йде дуже активно). Справа в тому, що ті, що утворюються в зелених листях, сорбіт і цукрозу постійно транспортуються в плоди: з листя цукру потрапляють у флоему — судинну систему рослини — і у вигляді розчину розносяться по всьому організму. У зріючому (а потім і в опалому) яблуку сорбіт під дією ферментів яблука поступово перетворюється на фруктозу, а цукрозу поступово розпадається на фруктозу і глюкозу. При цьому кількість і співвідношення цукрів залежать від активності їхнього транспорту від листя до флоеми, від флоеми до плодів і від одних тканин плоду до інших.

Нещодавно була відкрита група білків-транспортерів цукрів — SWEET, що грає вирішальну роль у перенесенні цукрів у рослинах при дозріванні плодів, виділенні нектару і багатьох інших процесах. Вони забезпечують введення і виведення цукрів з клітин, без них передача цукрів у флоему і захоплення їх тканинами яблука з флоеми не були б настільки ефективними. Подібні білки є у бактерій і тварин, вони беруть участь у розподілі поживних речовин ще з часів нашого спільного предка (J.-S. Eom et al., 2015. SWEETs, transporters for intracellular and intercellular sugar translocation).

Група дослідників з Китаю поставила перед собою завдання виявити гени білків SWEET, за якими можна було б аналізувати якість майбутнього врожаю задовго до першого цвітіння яблуні. Для початку вони проаналізували геном яблуні домашньої і знайшли в ньому гени, за структурою відповідні сімейству SWEET-генів. Було знайдено 25 MdSWEET-генів (перші дві букви — від видової назви яблуні домашньої), кожен з яких, ймовірно, грає свою роль у транспорті цукрів у рослині.

У загального предка всіх яблуень колись було лише 9 пар хромосом, які потім подвоїлися з втратою однієї з пар. У результаті всі сучасні яблуні мають 17 пар хромосом, 8 з яких гомологічні (тобто містять схожі гени — паралоги) іншим восьми. У зв’язку з тим, що нам відомо, які саме хромосоми є один одному гомологами, ми можемо простежити і те, які SWEET-гени відбулися один від одного і є відповідно паралогами (рис. 3). Так, наприклад, гомологічними є хромосоми під номерами 3 і 11: на кінці третьої хромосоми є ген MdSWEET2a, а на кінці одинадцятої хромосоми — ген MdSWEET2b, вони паралоги. Однак також на одинадцятій хромосомі в безпосередній близькості від цього гена є ще один — MdSWEET11, який не має близнюка на третій хромосомі. Автори припускають, що така картина є результатом дупликації гена на 11 хромосомі, тобто у предка яблуні була спочатку лише одна з цих двох хромосом з геном MdSWEET2, потім відбулося подвоєння набору хромосом і тепер вже у двох пар хромосом З часом гени на різних парах хромосом накопичили відмінності в будові і стали виконувати трохи різні функції, хоча і залишилися дуже схожими (тому їх і назвали 2а і 2b).

Ріс. 3. Розташування MdSWEET-генів на хромосомах яблуні. Малюнок з обговорюваної статті в Horticulture Research

Такий шлях пройшли всі наявні в гомологічних один одному парах хромосом гени. Однак саме у 3-ї і 11-ї пар хромосом, судячи з усього, відбулася ще одна подія: у якийсь момент ділянка 11-ї хромосоми, що містить ген MdSWEET2, подвоїлася. Хромосома подовжилася, з’явився ще один паралог MdSWEET2 гена і теж став змінюватися з часом. Цей ген і отримав тепер назву MdSWEET11. Імовірно, таке ж подвоєння або дупликація ділянки хромосоми сталося на 13-й парі хромосом, що також має два SWEET-гени, що відповідають одному гену на гомологічній 16-й парі. А ось у 17-ї пари хромосом SWEET-ген опинився без пари на відповідній їй 9-й парі. Схоже, що на 9-й парі хромосом сталася зворотна подія: фрагмент хромосоми, що містила SWEET-ген був випадково загублений — сталася його делеція.

Білки SWEET і кодуючі їх гени вивчені досить погано, повний їх список для рослин є тільки за резуховидкою Таля (Arabidopsis thaliana). Тому дослідники порівняли гени MdSWEET яблуні домашньої з генами резуховидки — AtSWEET. Раніше було показано, що білки і, відповідно, гени SWEET резуховидки по будові можна розділити на 4 клади. Білки з скарб I, II і IV переважно транспортують шестиатомні цукри (фруктозу, глюкозу і сорбіт). Білки SWEET з третьої клади спеціалізуються на транспорті більшої молекули — цукрози. Виходячи зі схожості будови генів яблуні і резуховидки дослідники побудували філогенетичне дерево, що характеризує спорідненість генів яблуні між собою і з генами резуховидки (рис. 4). Як і очікували дослідники, SWEET-гени яблуні так само добре поділяються на 4 структурно (і, судячи з усього, функціонально) розрізняються клади.

Ріс. 4. Спорідненість між усіма SWEET-генами яблуні домашньої (мають префікс Md у назві) і резуховидки Таля (префікс At). Малюнок з обговорюваної статті в Horticulture Research

Дослідників цікавило те, які з виявлених ними в геномі яблуні генів найсильніше задіяні у формуванні смакових якостей плоду. Щоб звузити спектр підозрюваних генів, вони випадковим чином вибрали два сорти яблук (K9 і Shishan 2) і простежили активність всіх 25 SWEET-генів на різних стадіях зростання яблуні і дозрівання плодів. В результаті було виявлено 9 SWEET-генів, активність яких сильно зростає саме в період дозрівання яблук.

Тепер, коли підозрюваних стало поменше, дослідники змогли проаналізувати генотипи 188 сортів яблук по заданих ділянках з SWEET-генами. Чотири з дев’яти генів мали по два можливих алелі, тобто по дві форми одного і того ж гена. Для диплоїдного організму (яким і є яблуня), це означає теоретичну можливість існування трьох генотипів: коли на обох хромосомах, що складають пару (мають один і той же номер), є перший алель (гомозигота по першому алелю); коли на обох хромосомах є другий алель (гомозигота по другому алелю); коли на одній з хромосом перший алель, а на іншій — другий (гетерозігота). Для одного з генів, що мають два алелі (MdSWEET15a), теорія не збіглася з реальністю: серед усіх досліджених яблуень виявилося лише два генотипи, а гомозигота по одному з алелей чомусь не зустрічається. У інших п’яти SWEET-генів виявилося по три алелі, що дає вже шість можливих генотипів. Тут теж виявився один виняток: ген MdSWEET9b представлений в обраних сортах тільки 4 генотипами. Враховуючи, що дослідники працювали з деревами, які вже не один рік плодоносять, найбільш правдоподібне пояснення цим виняткам полягає в тому, що вони з’явилися в результаті відбору (селекції). Незважаючи на те, що у алелей є можливість випадково зустрітися в новому організмі, цей новий організм або виявляється нежиттєздатним і гине, або дає помітно гірший урожай і тому дерево швидко знищують.

На наступному етапі автори статті провели ретельну перевірку зрілих яблук всіх 188 сортів з метою виявити всі можливі відмінності в загальній кількості твердих розчинних речовин в яблуку, в загальній кількості цукру і в кількості кожного з цукрів (фруктози, цукрози, глюкози і сорбіту) окремо. Проаналізувавши по кілька десятків яблук з кожного дерева, дослідники з’ясували, що найбільше в яблуках фруктози (30,5-83,8 мг/г в м’якоті свіжого яблука), далі йде цукрозу (3,8-41,8 мг/г) і глюкоза (3,9-31,8 мг/р), а найменше в зрілому яблуку сорбіту (0,1-22,6 мг/р). Всього в середньому яблуці виявилося 89,9 мг/г цукрів.

Дані по всіх сортах дослідники співвіднесли з генотипами досліджуваних яблуень і з’ясували, що з дев’яти підозрюваних SWEET-генів тільки три дають значний внесок в вміст в яблука цукрів (рис. 5). Так, ген MdSWEET2e дає 3,6% мінливості загального вмісту цукрів, 2,7% мінливості за вмістом у зрілому яблуку фруктози і 0,7% — цукрози. У цього гена є три алелі: (АТ) 13, (АТ) 7 і (АТ) 17. Гомозигота по одному з них, а саме генотип, позначений (АТ) 13/13, має більшу кількість цукрів (фруктози і цукрози, зокрема), ніж інші генотипи за цим геном.

Ріс. 5. Середня кількість цукрів залежно від генотипу за трьома генами: MdSWEET2е, MdSWEET9b и MdSWEET15а. Показано (у відсотках): загальна кількість твердих розчинних речовин (SSC); загальна кількість цукрів (Total sugar content); кількість цукрози (Sucrose content), фруктози (Fructose content), глюкози (Glucose content) і сорбіту (Sorbitol content) в мг/г м’якоті свіжого яблука. Малюнок з обговорюваної статті в Horticulture Research

Ген MdSWEET9b визначає загальний вміст цукрів на 2,5%, а кількість фруктози — на 6,6%. У цьому випадку гомозигота по одному з трьох наявних алелей ((СТ) 19, (СТ) 23 і (СТ) 26) з генотипом (СТ) 19/19, має значимо більш високу кількість фруктози і цукрів в цілому.

Найбільш «впливовим» виявився ген MdSWEET15a: від нього на 6,4%, 8,4%, 6,8% і 5,7% залежить вміст в яблуці всіх твердих розчинних речовин, загальна кількість цукрів, кількість глюкози і сорбіту, відповідно. У гетерозіготи, позначеної (Т/С), всі перераховані показники значимо вищі, ніж у гомозіготи (С/С).

Результати обговорюваного дослідження в поєднанні з методами селекції можуть допомогти значно прискорити виведення нових сортів яблук — як без застосування генної інженерії, так і в поєднанні з нею. Два з виявлених генів-переносників цукрів, чия робота значно відбивається на якості яблука (MdSWEET15a і MdSWEET9b), відносяться до третьої поклажі SWEET-генів і з найбільшою ймовірністю займаються транспортом саме цукрози, найчастіше використовуваної для перенесення поживних речовин на відносно далекі відстані в рослинах. Третій же ген, MdSWEET2e, з першої клади і він швидше переносить сорбіт, проте з усієї трійці саме він найбільшою мірою впливає на вміст в яблуці власне цукрози, а не продуктів її розпаду — фруктози і глюкози. Але незважаючи на успіхи вчених, як завжди, ще багато чого залишається вивчити і зрозуміти.

Джерело: Qiaoling Zhen, Ting Fang, Qian Peng, Liao Liao, Li Zhao, Albert Owiti & Yuepeng Han. Developing gene-tagged molecular markers for evaluation of genetic association of apple SWEET genes with fruit sugar accumulation // Horticulture research. 2018. DOI: 10.1038/s41438-018-0024-3.

Олена Сухопутова