«Посмотрите-ка на эти крошечные ягодки», – сказал мне Липпман. Он остановился под нависающим над ним растением. Ухватив стебель, он бережно взял плоды. «Это растение – ближайший известный родственник первой одомашненной формы томатов», – пояснил он.
Одомашнивание томатов земледельцами-аборигенами Перу превратило ягоды размером с чернику в крупные плоды, которые мы видим на прилавках супермаркетов и на сельскохозяйственных выставках. Исследования Липпмана помогли разобраться, каким образом первым селекционерам удалось увеличить размер плодов. Оказывается, им пришлось изменить форму цветка.
Когда почка развивается в цветок, в ней сначала образуются клинья, которые называются «локулы». Из этих локул формируются части цветка томата. Из них же выходят и камеры плода. Есть ген, который определяет, сколько локул будет у данного растения. Мутация в этом гене заставляет растение производить больше локул. А увеличение их числа дает более крупный плод.
В процессе одомашнивания мутировал не только ген, контролирующий развитие локул. Липпман выяснил, что по мере распространения томатов в разные широты изменялась их реакция на определенную продолжительность светового дня.
Липпман с коллегами обнаружил, что дикие томаты, растущие в экваториальной области Южной Америки, приспособлены к тому, что световой день в тех краях круглый год длится по 12 часов. Когда же исследователи привезли дикие томаты с Галапагосских островов в Колд-Спринг-Харбор, оказалось, что тут растениям плохо – из-за длинного нью-йоркского летнего дня. Томаты реагировали на дополнительное солнечное освещение тем, что синтезировали белки, подавляющие цветение и задерживающие рост плодов до окончания этого периода. Однако сортовые томаты, которые произрастают в Европе и Северной Америке, приобрели мутации, снижающие выработку этих белков в летний период.
В 2013 г. Липпману стало известно, что исследователи догадались, как использовать CRISPR для редактирования генов растений. Он получил нужные молекулы и проверил их работу на томатах. Из всех генетических технологий, которые он когда-либо использовал, эта сильнее всего приблизила его к решению задачи. «Все было очень четко, – рассказывал Липпман. – Мы просто сели и провели мозговой штурм на тему “Что именно мы можем сделать?”».
Одним из первых пунктов в списке была необходимость добиться, чтобы томаты не вырабатывали белки, подавляющие цветение в ответ на длинный световой день. С помощью CRISPR ученые вырезали ген-переключатель этого ответа у одомашненных томатов. И когда Липпман с коллегами прорастил измененные семена, растения зацвели и дали плоды на две недели раньше срока
[1046]. Это означало, что отныне их можно использовать в районах с более коротким летом. Липпман говорит, что «теперь неплохо бы задуматься о выращивании наших лучших сортов томатов в еще более северных широтах, например в Канаде».
Липпман фактически создал новый сельскохозяйственный сорт за один шаг. В отличие от Лютера Бёрбанка, ему больше не нужно осматривать тысячи растений в поисках одного перспективного мутанта. Ему не требуется и пересаживать в томат гены другого организма, чтобы создать генетически модифицированный сорт. Он непосредственно изменил гены растения, пользуясь своими знаниями о физиологии томатов.
Это достижение побудило команду Липпмана поставить более масштабную цель. Исследователи решили одомашнить дикое растение. И для своих экспериментов выбрали физалис.
Ученый уверял меня, что я не смогу оценить по достоинству то, что он сделал, пока не отведаю эту ягоду. Он принес пластиковый контейнер, который был заполнен плодами золотого цвета, формой и размером напоминающими небольшие стеклянные шарики. Надкусив физалис, я почувствовал насыщенный вкус, нечто промежуточное между апельсином и ананасом. Ягоды были насколько вкусными и оригинальными, что я даже удивился, почему никогда не пробовал их раньше. Причина крылась в том, как объяснил мне Липпман, что эти растения не были одомашнены.
Физалисы широко распространены в Северной и Южной Америке. Они вырастают в маленькие кустики и формируют плод внутри сухой оболочки, похожей на фонарик. Коренные американцы собирали физалисы для приготовления соусов, а европейские переселенцы последовали их примеру. Кто-то собирал семена этого растения и выращивал их в своих садах. И сегодня можно купить пакетик семян физалиса, а их плоды продаются на фермерских рынках и в магазинах для гурманов. Поскольку физалисы – дикорастущие растения, они продолжают считаться чем-то необычным по сравнению с сельскохозяйственными культурами. Плоды созревают в течение длительного времени, к тому же по очереди, поэтому садоводы должны ждать, пока все ягоды не упадут на землю, прежде чем собрать их. Иногда физалис называют земляной клюквой.
Липпман давно интересовался физалисом, поскольку это растение относится к тому же семейству, что и томаты. Их эволюционная близость означает, что у них много общего в биологии. Например, цветок как у физалисов, так и у томатов образуется из локул, и родственные гены регулируют этот процесс. Липпмана удивляло, что томаты одомашнены, а их близкие родственники физалисы – нет.
Одна из причин таких различий может крыться в том, что ДНК физалиса не так легко поддается «одомашниванию». У томатов, как и у человека, каждая хромосома присутствует в двух копиях. Но физалис располагает четырьмя! Чтобы закрепить определенную черту у физалиса, надо добиться, чтобы соответствующая мутация была во всех четырех копиях. Липпману пришло в голову, что вместо этого он мог бы отредактировать мутации напрямую в генах физалиса с помощью CRISPR.
Ботаник скользнул в проход, задевая плечами листья, и подошел к физалису, измененному с помощью CRISPR. Несколько дней назад растение отцвело, и его лепестки опали. Чашелистики разрослись, чтобы сформировать фонарик, который будет окружать развивающийся плод.
У обычного физалиса этот фонарик состоит из пяти чашелистиков. Липпман начал обрывать чашелистики на своем отредактированном растении, параллельно считая: «Один, два, три, четыре, пять, шесть, семь».
Как только он снял все чашелистики, показалась маленькая ягодка физалиса. В ней было семь локул вместо обычных пяти.
«Мы никогда бы не смогли сделать этого традиционной селекцией, – сказал Липпман. – А теперь – пожалуйста, – он прищелкнул пальцами, – за одно поколение. Мутация во всех четырех копиях гена».
В ближайшее время Липпман собирается опробовать и другие изменения. Он планирует отредактировать ген, контролирующий, когда именно плоды будут опадать, чтобы фермерам в их поисках не приходилось многократно обшаривать всю поверхность земли под кустами. Он хочет скорректировать скорость созревания плодов так, чтобы все ягоды поспевали одновременно, а не порциями, как сейчас, – равно как и изменить реакцию физалиса на освещение, чтобы плоды начинали образовываться пораньше. А еще исследователь планирует получить растения одинаковой высоты, чтобы фермеры могли использовать для сбора урожая машины.
Липпман хочет начать с изменения одного признака за раз. Если это получится, то потом он собирается создать набор направляющих РНК, которые смогут изменить все черты сразу в одном растении. Когда такие физалисы начнут размножаться, их потомки получат все необходимые гены, превращающие их из диких растений в культурные.
