Белая клубника — это сорта, у которых по мере созревания практически не вырабатывается красный антоциановый пигмент, из-за чего ягоды становятся бледно-белыми, кремовыми или светло-розовыми. Их необычный внешний вид может быть результатом естественной генетической вариации, влияющей на выработку пигмента, при этом у некоторых сортов могут быть красные семена или едва заметный румянец. Источник: Shutterstock

Точное редактирование доминантной копии гена MYB10-1B превратило красную клубнику в стабильно белую и продемонстрировало целенаправленную стратегию модификации полиплоидных культур.

Привычный красный цвет клубники обусловлен сложной генетической системой. У культурной клубники восемь наборов хромосом, поэтому многие гены присутствуют в нескольких близкородственных копиях, что затрудняет изменение одного признака без влияния на другие. Теперь исследователи показали, что с помощью CRISPR/Cas9 можно изменить цвет красной клубники на белый, не затрагивая близкородственные копии.

Цвет в основном обусловлен антоцианами — пигментами, которые образуются в результате строго контролируемого биохимического процесса. Одним из основных регуляторов этого процесса является транскрипционный фактор MYB10, который активирует несколько генов, участвующих в выработке пигмента. Поскольку культивируемая клубника является октоплоидом, то есть содержит восемь наборов хромосом, большинство генов представлены несколькими гомологичными копиями, которые не обязательно в равной степени влияют на активность генов.

Эта избыточность усложнила как генетические исследования, так и селекцию, поскольку изменение менее важной копии может не привести к видимым изменениям. Естественные белые сорта клубники позволяют предположить, что цвет плодов может определяться конкретными вариантами MYB10, но подтвердить роль отдельных копий в коммерчески важных сортах по-прежнему непросто.

Цвет определяется одной копией гена

Исследователи из Национального университета Конджу, Национального института садоводства и траволечения Кореи, Национального университета Чхунбук и Университета Флориды решили эту проблему, точно отредактировав одну доминантную копию. В исследовании, опубликованном в Horticulture Research, они использовали технологию CRISPR/Cas9 на коммерческом октаплоидном сорте клубники Florida Brilliance. Нарушение работы MYB10-1B привело к тому, что обычно красные плоды стали стабильно белыми.

Прежде чем приступить к редактированию растений, исследователи установили, что MYB10-1B является доминирующей копией гена MYB10, контролирующей накопление антоцианов по мере созревания плодов. Анализ транскриптома, который позволяет оценить активность генов, показал, что MYB10-1B активно экспрессируется в красных плодах, в то время как другие копии вносят относительно небольшой вклад и не компенсируют его при отключении MYB10-1B.

Это различие позволило исследователям разработать технологию CRISPR/Cas9 для распознавания небольших различий в последовательности гомологов. Этот подход позволил избирательно изменить MYB10-1B, практически не затрагивая его близкородственные копии.

Точное редактирование превратило красные плоды в белые

Затем отредактированные растения были исследованы с помощью анализа плавления с высоким разрешением, целевого секвенирования ампликонов и полногеномного ресеквенирования. Растения с белыми плодами имели либо гомозиготные, либо биаллельные мутации, локализованные исключительно в MYB10-1B, в то время как в других частях генома были обнаружены лишь минимальные нецелевые изменения.

Плод оставался белым на протяжении всего развития, но его семена оставались красными, что указывает на различия в регуляции пигментации в зависимости от типа ткани.

Дополнительный анализ экспрессии генов показал, что отключение MYB10-1B резко снижает активность важных генов, отвечающих за выработку антоцианов, в том числе CHS, DFR и ANS. В совокупности полученные результаты указывают на MYB10-1B как на ключевой генетический переключатель, контролирующий цвет цветоложа клубники, и показывают, что отдельные гомологи могут быть выборочно отредактированы в культурах со сложным полиплоидным геномом. 

Мутагенез гена MYB10-1B с помощью CRISPR/Cas9 приводит к появлению плодов клубники белого цвета. Источник: Horticulture Research

Точность может изменить подход к полиплоидной селекции

«Эта работа показывает, что в полиплоидных культурах точность важнее мощности», — сказал автор исследования. «Вместо того чтобы удалять все копии гена, мы продемонстрировали, что достаточно отредактировать один доминантно экспрессируемый гомолог, чтобы добиться кардинальных и стабильных фенотипических изменений». Такой подход снижает вероятность непредвиденных последствий и открывает новые возможности для функциональной геномики и селекции культур со сложным геномом. Он представляет собой практическую дорожную карту для применения геномных знаний для улучшения реальных характеристик.

Это не ограничивается выращиванием белой клубники. Та же стратегия потенциально может быть использована для улучшения таких характеристик, как вкус, питательная ценность и устойчивость к стрессу, у других полиплоидных фруктов и овощей.

Редактирование гомологичных участков, при котором изменяется только одна копия важного гена, а не все связанные копии, может дать селекционерам больший контроль, сохраняя при этом ценный генетический фон существующих сортов сельскохозяйственных культур. Благодаря совершенствованию высококачественных эталонных геномов и все более точному подходу к разработке CRISPR такой уровень таргетинга становится более практичным, расширяя возможности для модификации сложных признаков полиплоидных культур.