Многие из нас, жителей России, знают что магазинные и рыночные плоды томатов отвратительны на вкус и плотные, словно камень, а часто свежие плоды и во все не угрызёшь.

Ученые, по заказу редакции N + 1, занялись выяснением этой проблемы. Некоторые светила науки по началу топили за психологические эффекты и когнитивные искажения, в стиле штампа «раньше было лучше», но почти сразу же поняли, что плоды на полках наших магазинов действительно не те, что были раньше.

Опыт норвежцев

 

Первыми потребителями, обеспокоенными неважным качеством томатом, были норвежские маркетологи, которые в конце 90-х годов провели отбор всех найденных в супермаркетах сортов и гибридов томатов. Попробовать находки попросили добровольцев — дегустаторов, чтобы оценить их вкусовые качества. Этим исследования получили название «sensory studies».

Проанализировав полученные данные, ученые пришли к таким выводам:

1. Для свежего потребления люди предпочитают мягкие плоды томата содержащие большое количество сахара.
2. А вот для кулинарной переработке: фаршировки, консервирования и приготовления пюре, потребители специально выбирают плотные томаты с характерной кислинкой.

Проанализировав выводы, исследователи предложили производителям томатов и торговым сетям маркировать свой товар, чтобы покупатели понимали, твердые или сахаристые плоды они покупают. В результате этого эксперимента потребление томатов в Норвегии увеличилось с примерно 5 до 15-20 килограммов на душу населения в год! Как оказалось, до этого потребители просто не могли разобраться, какие плоды вкусные.

Выше изображение томата Solanum lycopersicum из ботанического труда начала XIX века J.T. Descourtilz.

Кроме норвежских потребителей и предпринимателей, в середине 2010 года проблемой потери вкуса занялась группа специалистов из ряда стран: Китая, США, Испании и Израиля.

Дизайн их исследования напоминал сценарий телепередачи «Контрольная закупка»: народная дегустация, лабораторные тесты, сведение данных.

Специалисты обозревали 160 самых популярных сортов и гибридов томата. Окончилось исследование обзором традиционных сортов, так называемых «heirloom plants» – это овощи и фрукты, которые выращиваются традиционным, а не промышленным способом, размножаются опылением, могут выращиваться из семян заготовленных самостоятельно. Кроме того были исследованы дикие томаты и их ближайшие, не культивируемые родственники.

Химический анализ всех вышеперечисленных плодов выявил более 400 органических соединений. В каждом сорте и гибриде у плодов концентрация веществ своя, так, например, в мякоти одних плодов больше сахара, у других больше кислоты, третьи могут похвастаться более высоким наличием микроэлементов.

На исследованиях выяснилось, что 33 молекулы связаны с оценками вкусовых качеств томатов, 37 — аромата, а еще 28 веществ ассоциированы одновременно со вкусом и запахом. В число особо значимых веществ попали глюкоза, фруктоза, компоненты растворимой клетчатки, лимонная и яблочная кислоты, геранилацетат, сулкатон (6-метил-5-гептен-2-он) и гваякол (ароматическое вещество из класса фенолов с «дымным» запахом; им пахнет, например, пряный ром). Причем их концентрации в старых коллекционных сортах оказалось существенно выше, чем в современных.

На следующем этапе ученые стали искать гены, ответственные за выработку вкусных и пахучих молекул. Сначала они провели полногеномное секвенирование сортов — то есть считали всю генетическую информацию. Затем с помощью полногеномного поиска ассоциаций выявили конкретные генетические последовательности, связанные этими молекулами, и их положение в геноме.

Оказалось, что гены 13-ти искомых веществ попросту отсутствовали в тех современных сортах, качества которых дегустаторы оценили невысоко. Часть других важных для вкуса и запаха генов в них все же присутствовала, но не в тех локусах (не на тех же местах), что в более привлекательных коллекционных сортах. То есть на вкусовых качествах сказывается не только наличие генов, но и их положение в геноме.

Почему помидоры на генетическом уровне потеряли вкус?

Авторы вышеописанного исследования подчеркивают, что вкуса томаты лишились не случайно, а из-за селекции, что, по сути, тоже генная модификация. Только безо всяких манипуляций с геномом при помощи молекулярных инструментов, которые мы освоили к началу XXI века.

Селекционеры, естественно, не ставили перед собой цели получить невкусные помидоры. Просто у них были другие приоритеты: высокая урожайность, устойчивость к холодам и засухам. Или вообще логистические «добродетели»: долгий срок хранения и плоды, которые легче переносят транспортировку.

«После Второй мировой войны компании-производители семян просто беспокоились о том, как накормить как можно больше людей», — отмечает один из авторов статьи, профессор Института молекулярной и клеточной биологии Валенсии Антонио Гранелл в комментарии для журнала «The Guardian».

Ко второй половине XX века аграрии поняли, что на коммерческий успех овощей и фруктов влияет их красота — и вплотную занялись тем, чтобы те выглядели симметрично, привлекательно и хорошо сохраняли свою форму. Но при этом им также нужно было сохранить их «транспортабельность», которая намного выше у неспелых плодов. Таким образом, аромат и вкус помидоры потеряли просто потому, что выпали из внимания компаний-производителей. Супермаркеты заполнились сортами, которые хорошо переносят длительную транспортировку и при этом вкусно выглядят. Иными словами, селекция была направлена на то, чтобы плоды становились красными раньше, чем по-настоящему созреют.

Такие сорта получились, опять же, в результате десятилетий селекции. Сейчас же на смену селекции — весьма грубому способу вмешательства в геном — пришли гораздо более точные методы. С их помощью стало возможным получать плоды с почти любыми качествами без потери других.

Так, например, китайские и испанские биологи выявили молекулярный механизм созревания плодов. Оказалось, что все вкусные и пахучие вещества, равно как и красные пигменты, образуются в результате каскада биохимических реакций в пластидах клеток плода. Этот каскад называется хлоропласт-ассоциированной протеолитической деградацией (chloroplast-associated protein degradation, CHLORAD). Одна из ключевых реакций этого каскада — убиквитинирование белков хлоро- и хромопластов и белков протеосом с помощью фермента убиквитинлигазы Е3 (вариант SP1 или его гомолога SPL2).

Механизм включения генов в плоды томатов

Когда помидоры созревают, их маленькие зеленые плоды краснеют и увеличиваются, становятся сочными, сладкими, ароматными — и при этом мягкими. Включение «генов созревания» и выключение генов «незрелости» в томатах, как и у большинства других растений, в основном вызывает этилен (поэтому иногда перед тем, как выложить еще не созревшие на самом деле томаты на прилавок, их поливают этиленом, чтобы те подрумянились).

Гены синтеза этилена (например, ACO1, ACS2, ACS4, NR) активируются, опять же, в плодах при созревании, а этилен затем действует как транскрипционный фактор других генов «созревания», и вся система раскручивается, как маховик. Убиквитинлигазы Е3 контролируют эти процессы. Они связываются с белками хлоропластов (с которыми связана зеленая окраска плодов), ускоряя их трансформацию в хромопласты (с увеличением числа которых плод «наливается» цветом). Лигазы способствуют преобразованию клеточных стенок и запускают экспрессию генов, «спавших» в зеленых плодах. Они же и раскручивают маховик синтеза этилена. Таким образом, эти ферменты прямо или косвенно регулируют все аспекты созревания плода: покраснение, умягчение, появление привлекательного вкуса и аромата.

Поэтому если заставить ген, кодирующий лигазу SP1, считываться чаще, это приведет к увеличению числа этих ферментов — и заставит плод стремительнее созревать. Подавление же генов синтеза SP1 и SPL2 растягивает во времени процесс созревания. Хотя при этом сам плод во вкусе, запахе и цвете зрелых плодов не потеряет — а значит, можно будет отправить еще не созревший плод в долгую дорогу, чтобы он «дошел» как раз к моменту, как окажется на прилавке.

Это значит, что если контролировать эти молекулярные механизмы, можно получить томаты, которые будут одновременно и удобными для тех, кто ими торгует, и вкусными — то есть привлекательными для покупателей.

Сравнение того, как вызревают: (WT) контрольные томаты, (slSP1-KD) томаты с выключенным геном синтеза убиквитинлигазы Е3 SP1, (slSP1-OX) томаты с увеличенной транскрипцией Е3 SP1, (slSPL2-KD) выключенным геном синтеза варианта SPL2. Выключение генов убиквитинлигаз растягивает все аспекты созревания плодов, а их оверэкспрессия — ускоряет / Qihua Ling et al. / Nature Plants, 2021

Селекционеры хотят вернуть помидорам их родной вкус

Два года назад, другая международная команда, куда вошли некоторые авторы исследования связи вкуса томатов с концентрацией в них специфических соединений, сфокусировалась больше на генах, нежели каскадах биохимических реакций. На основе данных о генетических последовательностях 725 разных сортов и ближайших родственников томата они собрали референсный «пангеном», включающий все возможные кодирующие последовательности.

С помощью алгоритма вычисления присутствующих и отсутствующих вариаций (presence-absence variation analysis) ученые выяснили, что современные томаты в ходе одомашнивания и селекции потеряли 4873 гена. Это позволило им прижиться в разном климате и стать устойчивее к вредителям и болезням — но вместе с тем не всегда позитивно повлияло и на их вкус.

Изменение числа вариантов генов в «пангеноме» по мере увеличения числа исследованных сортов. Зеленая кривая отображает, сколько новых вариантов в «пангеном» дает каждый новый проаналированный генетический вариант. На графике видно, что обогащение «пангенома» нелинейно зависит от увеличения выборки, и что выборка более чем достаточна, ибо кривые вышли на плато / Lei Gao et al. / Nature Genetics, 2019

Из многотысячной выборки утраченных генов внимание исследователей привлек ген TomLoxC, один из аллелей которого встречался особенно нечасто в современных сортах. Этот ген оказался важным в выработке летучих соединений апокаротиноидов, что придают плодам томата тот самый запах. Причем если у растения присутствовали оба аллеля этого гена, то в вызревающих плодах томата обнаруживалось больше продуктов транскрипции гена, и вызревшие плоды становились еще более ароматными. Если же в геноме присутствовало две копии одного варианта, запах плода был более скромным.

Продолжив эксперименты, ученые получили трансгенные томаты-черри с вкусными и ароматными плодами. Правда, в чисто научных целях. Но авторы работают утверждают, что их результаты могут взять на вооружение производители семян.

С помидорами работали и другие генные инженеры. Например, одна научная группа внедрила в них гены черники — и получила плоды фиолетово-черного цвета. Ещё одна команда исследователей создала другие помидоры с запахом, напоминающим корицу. Его обуславливает наличие фенилпропаноидов. Эти вещества более знамениты свойством снижать риск развития болезни Альцгеймера. Третьи нашли гены, работая с повторностью которых, можно удлинять или укорачивать плоды томата.

Послесловие

С 16 века, с момента появления томата в Европе, по настоящее время, на семенном рынке и на полках магазинов присутствует огромное разнообразие плодов томата. Одни — мясистые, сладкие и ароматные, но хранятся не дольше недели и не выносят длительной транспортировки. Другие вызревают на вечной мерзлоте, но жестки и безвкусны. Отличаются плоды и назначением: салатным, консервным и даже десертным. Любители экзотики могут побаловать себя шоколадными или полосатыми, как тигр, плодами. Современная генная инженерия, уже совсем без применения селекции, способна создать огромное многообразие различных помидоров, но к счастью генномодифицированные продукты строго регламентированы и ограничены.

А если вы хотите питаться только вкусными помидорами, то выращивайте их на своих приусадебных участках, потому что не смотря на все исследования и обеспокоенность ученых, вкус томатам возвращать пока никто не собирается...



Оригинальную статью на эту тему читай в редакции N + 1 «Уже не те. Почему помидоры потеряли свой вкус».