Помидоры с перцем

Пять лет назад было установлено, что томаты, утратив способность синтезировать жгучее вещество капсаицин, не лишились генов, необходимых для его синтеза. По какой-то причине эти гены стали неактивны. Авторы новой статьи в Trends in Plant Science считают возможным «включить» их с помощью технологии CRISPR/Cas9. Помимо научного интереса, работа преследует сугубо практическую цель: полученные сорта томатов можно будет использовать для удешевления промышленного производства капсаицина. Ну и, конечно, «это стало бы новым шагом в захватывающей истории жгучих культур».

Недальняя родня

Томаты (Solanum lycopersicum L.) и красный перец (виды рода Capsicum L.) — представители одного семейства Пасленовых, но не очень близкие родственники; это подтверждается, например, тем, что гибриды томата и перца неизвестны в природе и попытки скрестить их путем искусственного переопыления не увенчались успехом.

Нередки случаи, когда представители одного семейства (а чаще — таксона более низкого ранга, подсемейства или рода) скрещиваются между собой. Чтобы межвидовой гибрид получился в природе, должно совпасть множество обстоятельств. Виды должны расти неподалеку друг от друга, а их периоды цветения должны совпадать по времени. Кроме того, строение цветка должно позволять перекрестное опыление, а пыльца должна успешно прорасти, попав на рыльце пестика, и слияние спермия и яйцеклетки должно привести к образованию способного развиваться зародыша. Если все эти условия соблюдены, то в результате из зародыша может вырасти гибридное растение.

Характерный пример — растения из подтрибы Цитрусовых семейства Рутовых. Хорошо знакомые нам растения из подсемейства Яблоневых семейства Розоцветных (яблоня, груша, рябина, боярышник, ирга и другие) в природе скрещиваются редко, но в культуре гибридов получено множество.

При этом томаты — самые распространенные в мире овощи (не считая картофеля и других крахмалоносов). Так, по данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2017 году произведено более 180 миллионов тонн томатов, а перца (и сладких, и острых сортов вместе) выращивают примерно в шесть раз меньше. Такая разница обусловлена, среди прочего, большей требовательностью перца к условиям выращивания.

Важнейшим отличием этих растений является способность перца вырабатывать капсаицин — жгучее вещество, придающее перцу остроту. Капсаицин важен не только для кулинарии — его используют и в медицине, как обезболивающее, разогревающее средство (подробнее об этом можно прочитать здесь, здесь и здесь), при производстве перцовых баллончиков для самообороны, а в первой половине XX века капсаицин даже пробовали на роль боевого отравляющего вещества: раздражая слизистые оболочки, он может быстро и надолго вывести противника из строя.

Капсаицин действует как агонист ванилоидных рецепторов млекопитающих, реагирующих на действие тепла. Капсаицин вызывает такой же эффект, что и повышение температуры — сначала жжение, а потом боль. При этом у птиц такой реакции на капсаицин нет — отпугивать их растениям ни к чему: в отличие от млекопитающих, птицы не разгрызают семена, а, напротив, способствуют их распространению на далекие расстояния. Возможно, еще одна функция капсаицина у растений связана с защитой от грибковых заболеваний.

Содержание капсаицина в плодах разных сортов и видов перца существенно отличается: по традиционной шкале Сковилла жгучесть варьирует от нуля у «болгарского» перца до 3 миллионов единиц у сорта Pepper X (для понимания масштабов важно знать, что острота соуса Табаско по этой шкале составляет 8000 единиц).

По генетическим данным, эволюционные пути перца и томата разошлись не менее 19 миллионов лет назад, но в геноме томатов в неактивном состоянии до сих пор имеются гены, необходимые для синтеза предшественников капсаицина. Для создания готового капсаицина необходимы несколько предшественников. Транскрипция нескольких необходимых генов просто снижена у томатов по сравнению с чили, а еще двух — не происходит из-за белков, связанных с промоторными областями и подавляющими считывание этого участка. Но несмотря на огромное разнообразие сортов, томаты самостоятельно вернуть себе способность к синтезу капсаицина не смогли.

Вершки и корешки

Совместить в одном растении достоинства нескольких — задача заманчивая и давно привлекающая человечество. Способов ее решения и удачных примеров известно немало (а неудачных — еще больше).

Наиболее используемое и эффективное среди них — прививка растений. Прививка — это способ вегетативного размножения растений, при котором части разных растений объединяют в одно. Сделать это можно множеством способов, главное — обеспечить плотный контакт сосудистых тканей растений между собой. В результате образуется физиологически единый организм, состоящий из генетически разных тканей — химера.

С помощью прививки удается совмещать, например, морозостойкость или компактный размер растений одних видов и сортов с высокой ценностью плодов других (прививка мандаринов уншиу на понцирус; прививка культурных сортов яблони на карликовые подвои яблони) и даже выращивать на одном растении съедобные органы разных сортов и видов (многосортовые деревья яблонь, груш, цитрусовых; pomato — растение с подземными органами картофеля и надземными — томата (помидофель).

Вероятность успеха прививки напрямую зависит от генетической близости растений: прививки между разными сортами внутри одного вида, как правило, успешно приживаются, а успешные прививки между представителями разных семейств крайне редки. Этот метод не подходит для однодольных, а также не позволяет сохранить полученные признаки при половом размножении, хотя в некоторой степени обмен генами между привоем и подвоем все-таки существует.

Так, исследователи из Германии в 2009 году, прививая разные виды табаков, обнаружили, что между клетками привоя и подвоя может происходить обмен пластидными генами, а через пять лет выяснили, что возможен и обмен ядерными генами. В результате этих экспериментов получились тетраплоидные клетки, содержащие оба диплоидных набора хромосом от изначальных растений, из которых удалось вырастить растение, способное давать жизнеспособные семена и заслуживающее статуса нового вида.

Среди попыток совместить свойства разных видов растений путем их гибридизации успешных примеров меньше. Гексаплоидные мягкие пшеницы появились путем гибридизации двух видов пшеницы и еще одного злака — Эгилопса. Созданные в Советском Союзе капустно-редечный (в надежде получить урожай и над землей, и под землей) и пшенично-пырейный («многолетняя пшеница») гибриды оказались жизнеспособны, но по свойствам уступали предковым видам.

При гибридизации между видами, как уже говорилось, должно совпасть множество факторов: близкое соседство, синхронное цветение и так далее. Все это, а также достаточно близкое родство необходимо для успешной гибридизации, однако, в отличие от прививки, шансы получить генетически закрепленные признаки выше — если потомки первого поколения, конечно, окажутся плодовитыми. Однако эффект гетерозиса может стать причиной проявления желаемой комбинации признаков только в первом поколении гибридов, а в последующих уже не проявиться.

Методы генной инженерии позволяют целенаправленно привносить в растение новые гены, отвечающие за те или иные свойства. Например, позаимствовав природный механизм трансформации растительной клетки у Agrobacterium tumefaciens, можно встроить в клетку необходимый ген с помощью бактериальных плазмид. При этом точное место в геноме, куда он попадет, предсказать почти невозможно.

Поэтому генная инженерия пока не проявила себя в полной мере в деле объединения свойств разных растений в одном. Современные ГМ-сорта растений чаще всего получают новые свойства от бактерий, реже от вирусов. Есть примеры встраивания в растения и чужих растительных генов — например, генетически модифицированный рапс, несущий ген арабидопсиса, позволяющий рапсу стать более устойчивым к засолению.

Включить выключенное

Что касается включения конкретного неактивного гена, то для этого необходимы более целенаправленные воздействия. Авторы нового проекта предлагают два варианта решения этого вопроса. Первый метод — использование модифицированных ДНК-связывающих белков TALEs, найденных в природе у растительных патогенов Xanthomonas sp. Эти белки связываются с промоторной областью гена, активизируя его транскрипцию. При использовании генной модификации этого белка, его действие можно направить на активацию экспрессии конкретного требуемого гена.

Второй метод решения проблемы — использование технологии CRISPR/Cas9. Принципиальным достижением этого метода является именно направленность изменений, что является большим плюсом при необходимости активировать конкретный ген. Эта направленность достигается за счет точного подбора короткой РНК-последовательности, направляющей нуклеазу, делающую разрез в двухцепочечной ДНК, в строго определенное место. (Подробнее об этом методе читайте в нашем материале «Запомните эти буквы».) Авторы планируют заменить промоторные последовательности неактивных генов на специфичные именно для томатов последовательности. Такая технология уже успешно применялась на помидорах, чтобы продлить срок их хранения.

Однако пока модифицированные перченые помидоры не вырастут, нельзя с уверенностью утверждать, что активация недостающих генов оправдает ожидания, — неизвестно, будут ли в конечном счете продукты этих генов полностью работающими и активными для синтеза капсаицина. Кроме того, могут пройти многие годы, прежде чем успешное ГМО-растение найдет себе промышленное применение. (О том, с какими трудностями столкнулась ГМ-пшеница, можно прочитать в нашем материале «Можно без хлеба».)

Есть мнение, что только генная инженерия может решить проблему голода — создать растения, пригодные для выращивания на бедных почвах или в непригодном климате и дающих большой урожай. Разработки устойчивых к болезням, вредителям и гербицидам растения ведутся давно и успешно.

Кроме того, ученые стремятся к получению более урожайных сортов, с улучшенными питательными свойствами и витаминами, не вызывающих аллергических реакций и не накапливающих вредные соединения. Кроме того, сельскохозяйственные растения могут стать платформой для синтеза лекарственных препаратов.

Никита Тиунов, Александра Кочеткова