Простой ПЦР-тест может быть использован для улучшения выращивания съедобных бурых водорослей, окинавского модзуку, и даже для помощи в попытках создания термоустойчивых штаммов, сообщили ученые из Окинавского института науки и технологий. ПЦР-тест, описанный в новом исследовании, опубликованном 9 июня 2022 года в Phycological Research, обнаруживает девять генов, которые раскрывают стадию жизненного цикла водоросли модзуку, а также ее пол.
Окинавский модзуку (Cladosiphon okamuranus) — очень любимый в Японии суперфуд из водорослей, который фермеры выращивают вдоль окинавского побережья с 1980-х годов. Осенью фермеры выращивают проростки модзуку, или «семена», в резервуарах, чтобы вызвать у них ростки. Затем фермеры переправляют их в океан сетями, чтобы они выращивались до весны. Ежегодно собирается от 15 000 до 20 000 тонн модзуку, что приносит более 2 миллиардов иен в местную экономику.
Однако фермеры модзуку в настоящее время сталкиваются с тремя основными проблемами в процессе выращивания. Во-первых, некоторые семена модзуку не прорастают. Во-вторых, по мере того, как модзуку растет в океане, он иногда отрывается от сетей и уносится течением и приливами. Наконец, морские водоросли особенно восприимчивы к теплу, поскольку повышение температуры океана замедляет их рост.
«В 2010 году урожайность упала более чем вдвое по сравнению с обычным годом, что, как считается, связано с необычно теплой зимой», — сказал доктор Коки Нисицудзи, научный сотрудник отдела морской геномики OIST, возглавляемого профессором Нориюки. Сато. «Поскольку происходит изменение климата, частота более теплых зим может увеличиться, поэтому необходимы новые жаростойкие штаммы».
Одним из наиболее эффективных способов создания таких признаков, как устойчивость к жаре, является скрещивание, когда особи двух разных линий скрещиваются вместе для создания новой смешанной линии. Однако ученые изо всех сил пытались скрестить водоросли из-за трудностей с различением мужских половых клеток от женских половых клеток.
«В других организмах, таких как яйцеклетка и сперматозоиды млекопитающих, есть видимые различия», — пояснил доктор Нисицудзи. «Но что касается водорослей, зародышей нельзя идентифицировать на глаз, только по их ДНК».
За последние несколько лет исследовательская группа из отдела морской геномики расшифровала геном четырех различных S-, K-, O- и C-штаммов окинавского модзуку, а также родственного вида Nemacystus decipiens, известного как ито-модзуку в Японский.
Теперь, используя это богатство геномной информации, команда смогла идентифицировать девять ключевых генов, определяющих пол. Когда ученые провели тесты ПЦР на зародышах модзуку, пять из этих генов были обнаружены только у самцов, а остальные четыре — только у самок.
«Теперь, когда мы можем определить пол, мы начали скрещивать O-штамм как с S-штаммом, так и с K-штаммом, чтобы посмотреть, приведет ли это к более устойчивому к теплу штамму», — сказал доктор Нисицудзи. «Мы также работаем над идентификацией генов, которые могут действовать как маркеры для различных штаммов, чтобы мы могли полностью подтвердить, что скрещивания были успешными».
Наряду с приданием термостойкости недавно разработанным штаммам скрещивание также может помочь исследователям решить проблему смывания модзуку в море путем создания штаммов модзуку, которые более прочно прикрепляются к сетям.
Хотя ПЦР-тест в первую очередь был разработан для облегчения скрещивания, фермеры модзуку также могут использовать его на стадии «посева» выращивания, позволяя им определить, на какой стадии жизненного цикла находятся зародыши.
Жизненный цикл модзуку сложен и уникален по сравнению с животными и наземными растениями. Люди (и большинство других животных) диплоидны, а это означает, что клетки нашего тела содержат два набора ДНК — один от нашей матери, а другой — от нашего отца. Наши зародышевые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) гаплоидны, что означает, что они имеют только один набор ДНК. При оплодотворении гаплоидная яйцеклетка и сперматозоид объединяются, образуя диплоидный зародыш.
Однако у модзуку зародыши встречаются на двух разных стадиях жизненного цикла: в виде гаплоидов и диплоидов. Но только диплоидные зародыши дают почки и развиваются в съедобные зрелые модзуку, которые фермеры хотят выращивать. Если резервуар загрязнен гаплоидными проростками, тогда происходит меньше бутонов, и в конечном итоге собирается более низкий урожай модзуку.
«Диплоидные проростки выглядят так же, как мужские и женские гаплоидные проростки, поэтому фермеры часто теряют урожай», — сказал доктор Нисицудзи. «Но теперь наш тест ПЦР можно использовать на ранней стадии, чтобы проверить, являются ли они диплоидными, поскольку эти зародыши будут содержать все девять мужских и женских генов».
Осенью команда будет сотрудничать с Центром рыболовства и морских технологий префектуры Окинава в Итомане и Рыболовным кооперативом Онна, используя ПЦР-тесты, чтобы попытаться улучшить их окончательный выход.
Важно отметить, что маркерные гены, определяющие пол, выявленные в этом исследовании, вероятно, аналогичны другим бурым водорослям, таким как Undaria pinnatifida (wakame по-японски) и Saccharina japonica (комбу), которые также являются экономически важными культурами.
