Помідори з перцем

П'ять років тому було встановлено, що томати, втративши здатність синтезувати пекучу речовину капсаїцин, не втратили генів, необхідних для його синтезу. З якоїсь причини ці гени стали неактивні. Автори нової статті вважають можливим «включити» їх за допомогою технології CRISPR/Cas9. Крім наукового інтересу, робота має суто практичну мету: отримані сорти томатів можна буде використовувати для здешевлення промислового виробництва капсаїцину. Ну і, звичайно, «це стало б новим кроком у захоплюючій історії пекучих культур».

Недалека рідня

Томати () і червоний перець (види роду) - представники одного сімейства Пасленових, але не дуже близькі родичі; це підтверджується, наприклад, тим, що гібриди томату і перцю невідомі в природі і спроби схрестити їх шляхом штучного переопилення не увінчалися успіхом.

Нерідкі випадки, коли представники одного сімейства (а частіше - таксона нижчого рангу, підсемейства або роду) схрещуються між собою. Щоб міжвидовий гібрид вийшов у природі, має збігтися безліч обставин. Види повинні рости неподалік один від одного, а їх періоди цвітіння повинні збігатися за часом. Крім того, будова квітки має дозволяти перехресне досвіду, а пилок повинен успішно прорости, потрапивши на рильце пестика, і злиття спермію і яйцеклітини має призвести до утворення здатного розвиватися зародку. Якщо всі ці умови дотримані, то в результаті з зародку може вирости гібридна рослина.

Характерний приклад - рослини з підтриби Цитрусових сімейства Рутових. Добре знайомі нам рослини з підсемейства Яблуневих сімейства Розоцвітних (яблуня, груша, горобина, глід, ірга та інші) в природі схрещуються рідко, але в культурі гібридів отримано безліч.

При цьому томати - найпоширеніші у світі овочі (не рахуючи картоплі та інших крохмалоносів). Так, за даними Продовольчої і сільськогосподарської організації ООН, в 2017 році вироблено понад 180 мільйонів тонн томатів, а перцю (і солодких, і гострих сортів разом) вирощують приблизно в шість разів менше. Така різниця обумовлена, серед іншого, більшою вимогливістю перцю до умов вирощування.

Найважливішою відмінністю цих рослин є здатність перцю виробляти капсаїцин - пекучу речовину, що надає перцю гостроту. Капсаїцин важливий не тільки для кулінарії - його використовують і в медицині, як знеболюючий, розігріваючий засіб (докладніше про це можна прочитати тут, тут і тут), при виробництві перцевих балончиків для самооборони, а в першій половині XX століття капсаїцин навіть пробували на роль бойової отруйної речовини: дратуючи слизові оболонки, він може швидко і надовго вивести противника з ладу.

Капсаїцин діє як агоніст ванілоїдних рецепторів ссавців, що реагують на дію тепла. Капсаїцин викликає такий же ефект, що і підвищення температури - спочатку печіння, а потім біль. При цьому у птахів такої реакції на капсаїцин немає - відлякувати їх рослин ні до чого: на відміну від ссавців, птахи не розгризають насіння, а, навпаки, сприяють їх поширенню на далекі відстані. Можливо, ще одна функція капсаїцину у рослин пов'язана із захистом від грибкових захворювань.

Вміст капсаїцину в плодах різних сортів і видів перцю істотно відрізняється: за традиційною шкалою Сковілла пекучість варіює від нуля у «болгарського» перцю до 3 мільйонів одиниць біля сорту Pepper X (для розуміння масштабів важливо знати, що гострота соусу Табаско за цією шкалою становить 8000 одиниць).

За генетичними даними, еволюційні шляхи перцю і томату розійшлися щонайменше 19 мільйонів років тому, але в геномі томатів у неактивному стані досі є гени, необхідні для синтезу попередників капсаїцину. Для створення готового капсаїцину необхідні кілька попередників. Транскрипція декількох необхідних генів просто знижена біля томатів порівняно з чилі, а ще двох - не відбувається через білки, пов'язані з промоторними областями і переважними зчитування цієї ділянки. Але незважаючи на величезне розмаїття сортів, томати самостійно повернути собі здатність до синтезу капсаїцину не змогли.

Вершки і корінці

Поєднати в одній рослині гідності кількох - завдання привабливе і давно приваблює людство. Способів її вирішення і вдалих прикладів відомо чимало (а невдалих - ще більше).

Найбільш використовуване і ефективне серед них - щеплення рослин. Щеплення - це спосіб вегетативного розмноження рослин, при якому частини різних рослин об'єднують в одну. Зробити це можна безліччю способів, головне - забезпечити щільний контакт судинних тканин рослин між собою. У результаті утворюється фізіологічно єдиний організм, що складається з генетично різних тканин - химера.

За допомогою щеплення вдається поєднувати, наприклад, морозостійкість або компактний розмір рослин одних видів і сортів з високою цінністю плодів інших (щеплення мандаринів уншиу на понцирус; щеплення культурних сортів яблуні на карликові підвої яблуні) і навіть вирощувати на одній рослині їстівні органи різних сортів і видів (багатосортові дерева яблунь, груш, цитрусових; pomato - рослина з підземними органами картоплі і надземними - томата (помідофель).

Ймовірність успіху щеплення безпосередньо залежить від генетичної близькості рослин: щеплення між різними сортами всередині одного виду, як правило, успішно приживаються, а успішні щеплення між представниками різних сімейств вкрай рідкісні. Цей метод не підходить для однодольних, а також не дозволяє зберегти отримані ознаки при статевому розмноженні, хоча в деякій мірі обмін генами між привоєм і підвоєм все-таки існує.

Так, дослідники з Німеччини в 2009 році, прищеплюючи різні види тютюнів, виявили, що між клітинами привою і підвою може відбуватися обмін пластидними генами, а через п'ять років з'ясували, що можливий і обмін ядерними генами. У результаті цих експериментів вийшли тетраплоїдні клітини, що містять обидва диплоїдних набори хромосом від початкових рослин, з яких вдалося виростити рослину, здатну давати життєздатне насіння і варте статусу нового виду.

Серед спроб поєднати властивості різних видів рослин шляхом їх гібридизації успішних прикладів менше. Гексаплоїдні м'які пшениці з'явилися шляхом гібридизації двох видів пшениці і ще одного злака - Егілопса. Створені в Радянському Союзі капустно-рідкісний (в надії отримати врожай і над землею, і під землею) і пшенично-пирейний («багаторічна пшениця») гібриди виявилися життєздатними, але за властивостями поступалися предковим видам.

При гібридизації між видами, як вже говорилося, має збігтися безліч факторів: близьке сусідство, синхронне цвітіння і так далі. Все це, а також досить близьке споріднення необхідно для успішної гібридизації, однак, на відміну від щеплення, шанси отримати генетично закріплені ознаки вище - якщо нащадки першого покоління, звичайно, виявляться плодовитими. Однак ефект гетерозису може стати причиною прояву бажаної комбінації ознак тільки в першому поколінні гібридів, а в наступних вже не проявитися.

Методи генної інженерії дозволяють цілеспрямовано привносити в рослину нові гени, що відповідають за ті чи інші властивості. Наприклад, запозичивши природний механізм трансформації рослинної клітини у, можна вбудувати в клітку необхідний ген за допомогою бактеріальних плазмід. При цьому точне місце в геномі, куди він потрапить, передбачити майже неможливо.

Тому генна інженерія поки не проявила себе повною мірою в справі об'єднання властивостей різних рослин в одній. Сучасні ГМ-сорти рослин найчастіше отримують нові властивості від бактерій, рідше від вірусів. Є приклади вбудовування в рослини і чужих рослинних генів - наприклад, генетично модифікований ріпак, що несе ген арабідопсису, що дозволяє ріпаку стати більш стійким до засолення.

Увімкнути вимкнення

Що стосується включення конкретного неактивного гена, то для цього необхідні більш цілеспрямовані впливи. Автори нового проекту пропонують два варіанти вирішення цього питання. Перший метод - використання модифікованих ДНК-зв'язувальних білків TALEs, знайдених в природі у рослинних патогенів. Ці білки зв'язуються з промоторною областю гена, активізуючи його транскрипцію. При використанні генної модифікації цього білка, його дію можна направити на активацію експресії конкретного необхідного гена.

Другий метод вирішення проблеми - використання технології CRISPR/Cas9. Принциповим досягненням цього методу є саме спрямованість змін, що є великим плюсом при необхідності активувати конкретний ген. Ця спрямованість досягається за рахунок точного підбору короткої РНК-послідовності, що направляє нуклеазу, що робить розріз у дволоніпочковій ДНК, в строго певне місце. (Детальніше про цей метод читайте в матеріалі "Запам" ятайте ці літери "). Автори планують замінити промоторні послідовності неактивних генів на специфічні саме для томатів послідовності. Така технологія вже успішно застосовувалася на помідорах, щоб продовжити термін їх зберігання.

Однак поки модифіковані перчені помідори не виростуть, не можна з упевненістю стверджувати, що активація відсутніх генів виправдає очікування, - невідомо, чи будуть в кінцевому рахунку продукти цих генів повністю працюючими і активними для синтезу капсаїцину. Крім того, можуть пройти багато років, перш ніж успішна ГМО-рослина знайде собі промислове застосування. (Про те, з якими труднощами зіткнулася ГМ-пшениця, можна прочитати в нашому матеріалі «Можна без хліба».)

Є думка, що тільки генна інженерія може вирішити проблему голоду - створити рослини, придатні для вирощування на бідних грунтах або в непридатному кліматі і дають великий урожай. Розробки стійких до хвороб, шкідників і гербіцидів рослини ведуться давно і успішно.

Крім того, вчені прагнуть до отримання більш урожайних сортів, з поліпшеними поживними властивостями і вітамінами, що не викликають алергічних реакцій і не накопичують шкідливі сполуки. Крім того, сільськогосподарські рослини можуть стати платформою для синтезу лікарських препаратів.