Исследователи Китайской академии сельскохозяйственных наук применили машинное обучение к данным генетической последовательности дикого и культурного европейского винограда.
В работе «Адаптивная и дезадаптивная интрогрессия при окультуривании виноградной лозы», опубликованной в PNAS, исследователи изучили историю генетической гибридизации между культурными сортами винограда и их европейскими дикими родственниками, проследив происхождение до первого окультуривания винного винограда.
По словам авторов исследования, окультуренные виноградные лозы появились в Европе около 3000 лет назад. Согласно археологическим данным окультуривание виноградных растений датируется примерно 5900 г. до н.э., именно тогда началось размножение sylvestris на Южном Кавказе, на севере Плодородного полумесяца и в Леванте.
После окультуривания виноград распространился по всему Средиземноморью и, благодаря естественному отбору, появилось множество сортов, адаптированных к местным условиям. В течение последних 3000 лет виноград распространялся по Европе, а интродуцированные сорта скрещивались с разнообразными дикими популяциями винограда.
Определенные гены винного винограда, отвечающие за синтез ароматических соединений, модифицировались в результате контактов с европейским диким виноградом, что позволяет предположить, что этот виноград был важным ресурсом для улучшения вкусовых качеств винного винограда.
Исследователи собрали существующие данные секвенирования 305 образцов и провели секвенирование 40 образцов из коллекций зародышевой плазмы винограда Министерства сельского хозяйства США в Дэвисе, Калифорния, с использованием платформы Illumina HiSeq 4000, коллекция которой охватывает дикорастущие и культивируемые сорта винограда по всему миру.
Популяционно-генетический анализ на основе машинного обучения обнаружил доказательство первого случая окультуривания виноградной лозы, за которым последовал непрерывный поток генов между диким европейским виноградом и культурным виноградом в течение последних 2 000 лет.
В процессе гибридизации и целенаправленной селекции виноградных растений были также выведены сорта с более высоким генетическим грузом с негативными однонуклеотидными полиморфизмами (SNP) и структурными вариантами, которые в гетерозиготном состоянии скрыты.
Авторы исследования предполагают, что это обратная сторона положительных эффектов гибридизации, так как в некоторых регионах отмечается повышенное количество вариаций негативных генов. Идентификация полезных и вредных вариаций может быть важным фактором для более грамотной геномной стратегии селекции винограда.
Насколько вредно?
Предположение о негативной нагрузке основано на сегментах ДНК, которые не обладают специфическими преимуществами и обычно устраняются у дикорастущих растений путем естественного отбора.
Стоит отметить, что негативные гены можно обнаружить в любом окультуренном растении. Картофель, помидор, рис, соя и кукуруза имеют множество дополнительных вариаций таких генов, которые из-за направленной селекции не были удалены в процессе естественного отбора. Возможно, что в будущем будет возможно изменить геномы растений таким образом, чтобы снизить негативную нагрузку, однако неизвестно, окажет ли это положительное воздействие на растение, так как эти гены обычно находятся в неактивном состоянии.
Наличие генов, которые не имеют решающего значения для функционирования, может быть даже преимуществом. Если случайная мутация произойдет в критически важном гене, то это может негативно сказаться на жизнеспособности растения. Если такая случайная мутация произойдет в «нежелательном гене», то результат будет менее вредным. Около 98% генома представляют собой некодирующие гены, но не все «нежелательные гены» бесполезны, так как они являются удобным буфером для негативных случайных мутаций, которые изменяют кодирующие гены.
В исследовании также рассматриваются столовые сорта винограда. Оказалось, что у них гибридизация происходила в 100 раз реже, что позволяет предположить, что, винный виноград прошел период интенсивного улучшения, а столовый виноград лучше сохранил свою исходную ДНК.
