ПЦР-тест для водоросли

Бурая водоросль модзуку (Cladosiphon okamuranus) — популярный в Японии суперфуд. Ее и родственный вид ито-модзуку (Nemacystus decipiens) культивируют на Окинавском побережье с 1980-х гг. Ежегодный урожай водорослей составляет около 22,5 килотонн, а вклад в экономику страны — примерно пять миллиардов иен. Японские ученые разработали метод, который позволит нарастить производство ценных водорослей, и рассказали о нем в Phycological Research.

В настоящее время выделяют четыре штамма C. okamuranus (S, K, O, C) и один штамм N. decipiens. (Для обоих видов авторы используют обобщающее название «модзуку».) Модзуку имеют сложный жизненный цикл, в котором образуются и гаплоидные, и диплоидные заростки. Культивирование водорослей обычно начинается в октябре. Сначала диплоидные заростки помещают на специальные сети в резервуарах с водой. Как только начинается рост (обычно в декабре или январе), сети переносят в океан. Через два-четыре месяца собирают зрелые спорофиты. Из мужских и женских гаплоидных заростков съедобные спорофиты не образуются. Проблема в том, что диплоидные заростки сложно отличить от гаплоидных на глаз. Из-за ошибок урожай спорофитов снижается, а потому есть необходимость в более точном методе выявления диплоидных заростков.

Авторы новой работы решили эту проблему идентификацией ДНК-маркеров. Ранее они секвенировали геномы N. decipiens и четырех штаммов C. okamuranus ( в 2016 году опубликована черновая сборка S-штамма, в 2020 году — остальных трех). Теперь они вытащили из геномов C. okamuranus необходимую информацию.

С помощью платформы Illumina ученые секвенировали РНК диплоидного и разнополых гаплоидных заростков (штамм не уточняется). Затем, взяв за основу сборку 2016 года, они определили наборы белок-кодирующих генов, которые экспрессируются и в диплоидных, и гаплоидных заростках; только в диплоидных и мужских гаплоидных заростках; только в диплоидных и женских гаплоидных заростках; только в диплоидных заростках. Ученые предположили, что различать диплоидные и гаплоидные заростки можно с помощью ПЦР, нацелив праймеры на гены с различными профилями экспрессии. Используя в качестве референса хорошо аннотированный геном бурой водоросли Ectocarpus siliculosus, они отобрали девять генов-мишеней. Пять из них (g11150, g11151, g12375, g12376 и g12381) были маркерами гаплоидных мужских заростков, четыре (g13772, g19792, g19793 и g20120) — женских. У диплоидных заростков выявлялись все девять генов. Таким образом, с помощью ПЦР-анализа можно различить не только плоидность, но и пол заростков.

По мнению авторов, результаты работы могут быть полезны и для решения двух других проблем культивирования C. okamuranus. Во-первых, модзуку иногда отваливаются от сетей после помещения в океан. Они созревают и без сетей, но их уносит течением. До сих пор в руках ученых не было инструмента для создания штамма, который держался бы крепче. Во-вторых, модзуку чувствительны к температуре воды. Повышение температуры подавляет их рост. Чтобы вывести толерантную к теплой воде водоросль, можно скрещивать разные штаммы C. okamuranus. Такие работы уже начались, но с водорослями их проводить гораздо труднее, чем с наземными растениями.

С помощью ДНК-маркеров можно определить разнополые гаплоидные заростки и конъюгировать их искусственно, создавая новые варианты водоросли. Это поспособствует масштабированию производства модзуку.