Przez tysiąclecia ewolucja naturalnie mutowała pomidory, a później ludzie wybierali preferowane cechy. Teraz edycja genomu CRISPR umożliwia jeszcze bardziej precyzyjne zmiany. Naukowcy z laboratorium Cold Spring Harbor zbadali przewidywalność hodowli pomidorów z mutacjami naturalnymi i wywołanymi CRISPR. Ich odkrycia ujawniają, że mutacje „tła” pochodzące z historii ewolucji i rolnictwa mogą znacząco wpływać na wynik mutacji inżynieryjnych. Podkreśla to potrzebę zrozumienia i uwzględnienia tych mutacji tła przy wprowadzaniu nowych zmian genetycznych.

Przez dziesiątki tysięcy lat ewolucja kształtowała pomidory poprzez naturalne mutacje. Kiedy ludzie wkroczyli na scenę, przez wieki hodowali pomidory, wybierając je ze względu na preferowane cechy. Obecnie edycja genomu CRISPR pozwala nam wprowadzać nowe mutacje w uprawach, które jeszcze bardziej poprawiają cechy. Jednak indywidualne mutacje, naturalne lub sztuczne, nie działają samodzielnie.

Każdy z nich działa w morzu tysięcy tak zwanych mutacji „w tle”. Zmiany te zostały zasiane przez ewolucję i historię rolnictwa. A co by było, gdyby tylko jeden mógł radykalnie zmienić pożądany wynik zmodyfikowanej mutacji?

Badanie przewidywalności genetycznej pomidorów

Teraz genetyk roślin i informatyk w Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) połączyli siły, aby zbadać, jak przewidywalna jest w rzeczywistości hodowla roślin z mutacjami naturalnymi i mutacjami CRISPR. Aby to zrobić, cofnęli zegar ewolucyjny.

Profesor CSHL i badacz HHMI Zachary Lippman i profesor nadzwyczajny David McCandlish zastanawiali się, czy różne mutacje naturalne i sztuczne mogą mieć podobny wpływ na wielkość pomidora, w zależności od obecności dwóch innych mutacji genowych. Korzystając z CRISPR, stworzyli serię mutacji w SlCLV3 gen. (Wiadomo, że naturalna mutacja tego genu zwiększa rozmiar owoców). Następnie połączyli te mutacje z innymi w genach, które współpracują z SlCLV3.

Naukowcy z laboratorium Cold Spring Harbor stworzyli kolekcję ponad 40 odmian pomidorów z naturalnymi i sztucznymi mutacjami wpływającymi na wielkość owoców. Szczepy hodowano przez kilka lat w kilku lokalizacjach geograficznych, w tym na Florydzie i w Cold Spring Harbor w stanie Nowy Jork. Źródło: laboratorium Lippmana/laboratorium Cold Spring Harbor

W sumie stworzyli 46 odmian pomidorów z różnymi kombinacjami mutacji. Znaleźli SlCLV3 mutacje dawały bardziej przewidywalne skutki, gdy obecne były również pewne inne mutacje. Mutacje w jednym genie powodowały przewidywalne zmiany w wielkości pomidora, ale mutacje w innym genie dawały losowe wyniki. Co godne uwagi, najbardziej korzystny efekt dotyczył dwóch mutacji, które pojawiły się tysiące lat temu i odegrały kluczową rolę w udomowieniu pomidorów.

Implikacje dla edycji genomu

Nowe badania McCandlisha i Lippmana mogą pomóc nam lepiej zrozumieć przewidywalność genetyczną. Ale jedno jest pewne. Kontekst ma znaczenie przy wprowadzaniu nowych mutacji upraw. Lipman wyjaśnia:

„Czy edycja genomu jest sposobem na szybkie zapewnienie konsumentom korzyści — lepszego smaku i wartości odżywczych? Odpowiedź brzmi prawdopodobnie tak. Pytanie brzmi, jak przewidywalne to będzie.”

Kolekcja pomidorów z różnymi kombinacjami sztucznych i naturalnych mutacji. Mutacje wpłynęły na liczbę locules, czyli kieszeni nasiennych, co skutkowało różną wielkością owoców. Projektem kierowała Lyndsey Aguirre, absolwentka Szkoły Nauk Biologicznych CSHL. Źródło: laboratorium Lippmana/laboratorium Cold Spring Harbor

Prace Lippmana i McCandlisha sugerują, że rola mutacji tła wymaga ponownej oceny. „Dziennik będzie musiał się z tym zmierzyć, gdy zaczniemy wytwarzać organizmy bardziej zaawansowane technicznie” – mówi McCandlish. „Kiedy zaczniesz tworzyć 10, 20 mutacji, prawdopodobieństwo uzyskania nieoczekiwanych wyników może wzrosnąć”.

Odszyfrowanie kodu genetycznego ewolucji

Księgę ewolucji napisano we wszystkich językach, a wielu z nich wciąż się uczymy. Genetyka roślin i biologia obliczeniowa oferują dwa sposoby rozszyfrowania tekstu. Lippman i McCandlish mają nadzieję, że ich wspólna interpretacja pomoże nauce sprostać temu wyzwaniu. Patrząc w przyszłość, może również pomóc ludzkości dostosować uprawy do stale zmieniających się potrzeb społeczeństwa.

Odniesienie: „Idiosynkratyczna i zależna od dawki epistaza napędza różnice w wielkości owoców pomidora”, Lyndsey Aguirre, Anat Hendelman, Samuel F. Hutton, David M. McCandlish i Zachary B. Lippman, 19 października 2023 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adi5222

Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation, Hearst Foundations, the Narodowy Instytut ZdrowiaFundację Alfreda P. Sloana i Instytut Medyczny Howarda Hughesa.