В исследовании, проведенном под руководством Чарльза Андервуда из Института Макса Планка по изучению селекции растений (MPIPZ) в Кельне (Германия), ученые создали систему генерации клональных половых клеток у растений томата и использовали их для проектирования геномов потомства. Оплодотворение клональной яйцеклетки от одного родителя клональным сперматозоидом от другого привело к появлению растений, содержащих полную генетическую информацию обоих родителей. Исследование опубликовано в журнале Nature Genetics.
Гибридные семена, объединяющие две разные родительские линии с определенными благоприятными признаками, популярны в сельском хозяйстве, так как дают урожай с повышенной продуктивностью, и используются фермерами уже более ста лет.
Высокая продуктивность известна как гибридная жизнеспособность, или гетерозис, и наблюдается у многих видов растений (и животных). Однако эффект гетерозиса не сохраняется в последующих поколениях гибридов из-за сегрегации генетической информации. Таким образом, каждый год необходимо производить новые гибридные семена – трудоемкое и дорогостоящее мероприятие, которое подходит далеко не для всех культур.
Как же передать полезные свойства, заложенные в генах гибридных растений, следующему поколению?
Как правило, генетический материал подвергается изменениям во время мейоза – важнейшего клеточного деления, происходящего у всех организмов, размножающихся половым путем. Эта перестановка, обусловленная случайной сегрегацией хромосом и мейотической рекомбинацией, важна для создания новых полезных генетических конфигураций в природных популяциях и при селекции.
Однако когда речь идет о селекции растений, то, получив отличную комбинацию, вы хотите сохранить ее и не потерять, снова перетасовывая гены. Система, позволяющая обойти мейоз и получить половые клетки, генетически идентичные родительским, имеет несколько применений.
В своей работе Андервуд и его команда создали систему, в которой они заменили мейоз на митоз, простое деление клетки, в самом популярном овощном растении – томате. В так называемой системе MiMesystem (Mitosis instead of Meiosis) деление клеток имитирует митоз, что позволяет избежать генетической рекомбинации и сегрегации, и получить половые клетки, которые являются точными клонами родительского растения.
Прорывным аспектом исследования является то, что впервые ученые использовали клональные половые клетки для создания потомства с помощью процесса, который они называют «полиплоидным геномным дизайном».
Обычно половые клетки имеют вдвое уменьшенный хромосомный набор (у человека 46 хромосом сокращаются до 23, у томата 24 хромосомы до 12), в то время как половые клетки MiMe являются клональными, поэтому сокращения хромосомного набора не происходит. Ученые провели скрещивание, в результате которого клональная яйцеклетка одного растения томата была оплодотворена клональным сперматозоидом другого. Полученные растения содержали полный генетический набор обоих родителей и состояли из 48 хромосом. Таким образом, все благоприятные характеристики обоих гибридных родителей были объединены в одном новом растении.
Благодаря тесной генетической связи между томатами и картофелем, ученые считают, что эта система может быть легко адаптирована для использования в картофеле, пятом по ценности растении в мире, и в других видах культур.
Учитывая рост численности населения и климатические изменения, выведение высокоурожайных, устойчивых и стабильных сортов имеет решающее значение для обеспечения мирового продовольствия в долгосрочной перспективе. Поэтому очень важно вывести растения, обладающие повышенной устойчивостью к болезням и стрессам. Для этого необходимы инновационные подходы к технологиям размножения.
«Созданная система MiMe для томатов также может быть использована в будущем в качестве компонента клонального семеноводства – синтетического апомиксиса. Это может значительно снизить стоимость производства гибридных семян», – добавляют ученые.
[Фото: ru.123rf.com]
