Более 250 генетических вариантов мяты открывают путь к улучшению вкуса и устойчивости к болезням

Биологи-растениеводы применили гамма-излучение для индукции мутаций в ведущем клоне мяты перечной, выращиваемом в США. В результате было введено 1406 крупных генетических мутаций, которые теперь позволяют идентифицировать ключевые гены для отбора новых сортов. Эти результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут помочь мятной промышленности в разработке улучшенных сортов и служить ориентиром для других клоновых культур.

Проект стартовал по инициативе компании Mars Inc., которая обратилась к команде учёных с просьбой внедрить генетические вариации в сорт мяты перечной. Особый интерес для производителей представляет выявление генов, обеспечивающих устойчивость к вертициллезному увяданию — почвенному грибному заболеванию, угрожающему выращиванию мяты по всему миру.

Исследователи сосредоточились на сорте «Черный Митчем» (Black Mitcham), клоне перечной мяты, обнаруженном в Англии в 1880-х годах. Поскольку все растения этого сорта являются стерильными клонами, они не могут обмениваться геномами через половое размножение, что ограничивает генетическое разнообразие. Масло перечной мяты Black Mitcham широко используется для производства конфет, жевательной резинки и зубной пасты, но сорт находится под угрозой из-за болезней.

Для внесения генетического разнообразия черенки мяты перечной подвергли гамма-излучению, после чего вырастили 261 полноценное растение. Секвенирование геномов показало, что каждый новый вариант в среднем приобрел 5,83 крупномасштабных мутаций. «Этот метод мутагенеза почти 100 лет, но он по-прежнему является мощным инструментом для изучения функций генов и развития растений, особенно в сочетании с передовыми методами геномики», — отметил соавтор исследования Лука Комаи.

Чтобы оценить влияние мутаций на характеристики растений, новые варианты вырастили на полевой станции Межгорного научно-исследовательского и опытно-конструкторского центра Калифорнийского университета в Тулелейке. Дистилляция масла из листьев показала, что два клона производили значительно меньше ментола — молекулы, придающей мяте охлаждающие свойства. В то время как ментол составляет 42% ароматических молекул в масле Black Mitcham, в этих клонах его содержание было около 4%.

«Мята, очевидно, может менять состав своего масла. Эти масла нужны нам не для производства жевательной резинки — это защитные соединения, — поэтому разнообразие свойств масла позволяет растениям адаптироваться к появлению новых травоядных животных и патогенов», — пояснил Комаи.

Подавляющее большинство (250 из 261) новых вариантов оказались химерами, содержащими несколько различных геномов в разных слоях клеток. Команда показала, что мутации происходили более чем в два раза чаще в стволовых клетках, производящих кожуру растения (стволовые клетки L1), по сравнению с клетками, производящими половые клетки (стволовые клетки L2). «Это подтверждает нашу гипотезу о том, что клетки L1 могут быстрее накапливать мутации, чтобы обеспечить полезную изменчивость с незначительными долгосрочными генетическими последствиями, тогда как стволовые клетки L2, возможно, эволюционировали, чтобы быть более устойчивыми к мутациям, дабы защитить половые клетки растения», — сказала старший автор исследования Изабель Генри.

Возможность изменять геном в одном слое стволовых клеток позволяет селекционерам создавать изменения, специфичные для отдельных тканей или органов, без влияния на другие свойства растения. «Это означает, что мы можем внедрить устойчивость к болезням в корни, не затрагивая листья или структуру растения. Наш метод предоставляет нетрансгенный и экономически эффективный способ достижения этой цели», — заключил первый автор Нестор Киппес.

Исходно растения мяты перечной, подобно клубнике, картофелю и многим фруктовым деревьям, размножаются бесполым путём, посредством клонального размножения. Это означает, что их геномы оставались неизменными более 200 лет, что делает их восприимчивыми к болезням и ограничивает улучшение таких свойств, как урожайность и вкус.

«Наши результаты предоставляют мощный ресурс для изучения геномики мяты и недорогой, не содержащий ГМО метод для индукции генетической изменчивости и улучшения стерильных культур», — подчеркнул Киппес.