Рис. 1. А — помидоры смородинолистного (S. pimpinellifolium, слева) и обыкновенного (Solanum lycopersicum, справа) вида, которые оказались на лабораторном столе исследователей. В — разнообразность форм и размеров обычных помидоров S. lycopersicum. Изображение из статьи Y. Bai, P. Lindhout, 2007. Domestication and Breeding of Tomatoes: What have We Gained and What Can We Gain in the Future?
Нынешние сорта помидоров, как правило, лишены своего особенного помидорного аромата и зачастую вкуса. Это результат селекции, нацеленной на создание крупных и ослепительных плодов, привлекательных для глаза покупателя, в ущерб вкусу и аромату. Международная команда ученых выявила химические компоненты, воздействующие на вкус и запах почти 400 сортов помидоров. Прочертив полногеномные анализы сортов и разновидностей, удалось найти генетические варианты, отвечающие за выработку этих веществ. В итоге получили перечень аллельных мутаций, на которые стоит устремить селекционные усилия для создания вкусных и ароматных помидоров, столь желаемых на нашем столе.
Проблема ухудшения вкуса поступающих на потребительский базар помидоров, видимо, всерьез обеспокоила человечество. Иначе сложно разъяснить финансирование огромного и весьма трудоемкого исследования, проведенного интернациональной командой генетиков, ботаников и селекционеров из семи научных лабораторий вселенной. Руководство проектом вели Гарри Клэй (Harry Klee) из Середины растительных инноваций Флоридского университета и Хуан Саньвэнь (Sanwen Huang) из Института аграрной геномики Китайской академии сельскохозяйственных наук. Соруководители воображают страны, которые являются самыми главными производителями помидоров на всемирном рынке.
«Элементы» уже писали о более скромном проекте, посвященном изучению вкусовых качеств помидоров (см.: Генетики выяснили, отчего помидоры стали невкусными, 04.07.2012). Тогда было показано, что мутация в одном из генов улучшила коммерческие качества сортов (помидоры сделались равномернее созревать), но значительно ухудшила их вкусовые качества. В случае с помидорами селекция в прок коммерции, но в ущерб потребителю скорее всего затрагивает не одинешенек этот выявленный ген, а множество. Ведь оценка качества селекционных сортов помидоров идет по примете размера плодов, их яркому цвету, устойчивости к хранению/заболеваниям, а не по запаху или сахаристости. Так что за полвека активной селекции в угоду коммерческой выгоде помидоры растеряли свои вкусовые и запаховые свойства. Потому и стартовало исследование, которое ставило целью выявить варианты генов, негативно влияющие на эти качества помидоров, — те аллели, которые показались или стали массовыми в результате селекции.
Ученые исследовали 398 сортов помидоров из собраний со всего мира. Сюда вошли варианты сортов из престарелых коллекций, новые сорта, а также для сравнения использовались дикая конфигурация помидора (вид Solanum lycopersicum) и близкий вид — томат смородинолистный (S. pimpinellifolium). Помидоры растили на опытной станции во Флориде. Для всех сортов провели полногеномный разбор (одно это уже многое говорит о трудолюбии и мотивированности участников проекта). Дальше провели количественный анализ содержания различных химических компонентов спелых плодов. Сюда взошли и летучие вещества, формирующие запахи.
Конечно, оценивали не всю химическую палитру плодов, а лишь выборочные вещества. Эта выборка была составлена на основе изучения предпочтений потребителей: людям предлагали показать из широкого набора сортов наиболее вкусные или ароматные помидоры. В течение 2010–2016 годов бывальщины ранжированы по вкусу и запаху 160 сортов. Затем для этих сортов установили количественный состав метаболитов (сахаров, кислот, солей и т. д.) и сопоставили с оценками потребителей. В итоге выявилось 33 составляющих, отвечающих за желанный «помидорный вкус», 9 — за «помидорный аромат», и 28 — за оба параметра. Именно эти химические компоненты оценивались для всех отобранных сортов. Но основной частью обсуждаемого исследования стало даже не это.
Основное содержание — сердцевину — труды составили корреляции однонуклеотидных замен (SNP), ассоциированных с «помидорностью», то кушать с выявленными химическими составляющими специфического вкуса и запаха. Для этого прочертили полногеномный поиск ассоциаций (Genome-wide association study) SNP с избранными химическими признаками. С помощью него вычленили 27 химических примет, сопряженных с присутствием конкретных SNP. Иными словами, в геномах помидоров отыщи мутации, которые ассоциированы с выработкой химических компонентов помидорной специфики.
Затем такое же изыскание на сходной сортовой выборке было проведено в Израиле. Опять определяли химические признаки, снова искали корреляции с SNP. Вторичное исследование было предпринято для повышения надежности заключений. Кроме того, оно позволило отыскать те химические различия, которые зависят от среды произрастания. Значительно было выявить химические и генетические признаки, общие для помидоров Флориды и Израиля. И такие приметы нашлись. Их оказалось около 20: 15 связаны со вкусом, и 5–6 — с ароматом.
Например, одно из таких целевых генетических изменений открылось в гене инвертазы 5 (Lin5). Этот ген находится на том участке хромосомы 9, какой, судя по его характеристикам, подвергался сильному отбору на крупноплодность. У нынешних культивируемых сортов в нем часто присутствует аллель с характерной однонуклеотидной заменой аспарагина (Asn) на аспарагиновую кислоту (Asp). Эта замена сопряжена с уменьшением числа сахаров и одновременно с увеличением размера плодов. Если поднять трансгенный помидор, у которого будет экспрессироваться исходный вариант Lin5, то помидор выйдет сладкий; а если с нуклеотидной заменой, то сахара в помидоре сделается заметно меньше, и у него будет картонный вкус. Следственно, в ходе селекции увеличилась частота Lin5 с Asp вместо Asn, из-за чего снизилось всеобщей содержание сахара в плодах и их вкусовые качества. Нашлись и иные мутации, ассоциированные с пониженным количеством сахаров в плодах.
Иной локус на той же девятой хромосоме содержит измененный участок, связанный с продукцией таких летучих веществ, как метилсалицилат и гваякол. Оба они вовлечены в синтез соединений, размашисто известных в качестве лекарств (ацетилсалициловую кислоту мы знаем как аспирин, а гваякол — это антисептик). Аромат помидоров, у которых количество этих веществ увеличено, представляется потребителям не очень приятным. Неудивительно, что помидоры с измененными аллелями в геноме, у каких из-за этого в пять раз больше метилсалицилата и гваякола, потребителям не чересчур нравятся. В специальном исследовании удалось выявить генетическое нарушение (изменение в одном из интронов), приводящее к увеличению содержания этих несимпатичных — хотя и полезных с медицинской точки зрения — соединений.
Весьма наставительна картина аллельного разнообразия вещества, определяющего запах спелых помидоров — так именуемого MHO (6-метил-5-гептен-2-он). Оно помимо того, отвечает и за красный краска плодов. Селекционеры, ориентируясь на покупательские предпочтения, выводили наиболее алые помидоры. Потому разнообразие аллелей MHO у современных сортов понижено: остались лишь те варианты, которые дают наиболее глубокий красный краска (рис. 2). Но при этом обедняется помидорный аромат.
Рис. 2. Аллельные варианты (R — референтный аллель, A — измененные аллели) MHO у томатов-черри (cerasiforme), престарелых сортов (heirloom), промежуточных форм (transitional), современных сортов (modern). У нынешних сортов осталось только два сочетания из всех возможных. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Итак, сейчас у селекционеров имеется список мутаций, которые меняют вкус и аромат помидоров. Из них около 20 достойны пристального внимания, так как они могут сделаться целями приложения селекционных усилий для создания ароматных и сладких помидоров. Можно надеяться, что итоги этой работы мы увидим уже скоро, так как для придания, например, аромата требуется лишь чуть-чуть увеличить выработку необходимого ароматического компонента в томатах. На его синтез растению не необходимо тратить много ресурсов, так что размеры плодов не сильно убавятся. Сложнее будет с сахарами и кислотами, но ради вкусных помидоров можно немножко поступиться размерами. Авторы, проведя исследование покупательского спроса, указывают, что люд склонны выбирать помидоры помельче, если у них отменный вкус и аромат.
