Программный пакет помогает анализировать сложные генетические данные деревьев

Большинство признаков растений возникают в результате сложного взаимодействия генов, белков и метаболитов. Идентификация и анализ этих генетических признаков очень сложна, особенно когда секвенированные геномы фрагментированы. В своей диссертации Бастиан Шиффталер улучшил информацию о геноме европейской осины и разработал биоинформатические инструменты для анализа сложных генетических признаков у растений.

При секвенировании генома ДНК обычно разрезается на мелкие фрагменты, считывается их последовательность, а затем биоинформатическое ПО собирает полную информацию, используя перекрывающиеся области этих фрагментов в итеративном процессе, который в идеале даёт полные хромосомы. Для деревьев, которые часто имеют очень сложные геномы, большинство доступных сборок геномов не являются контигуальными (непрерывными). Бастиан Шиффталер работал над улучшением контигуальности таких геномов, сосредоточившись на европейской осине.

Последовательность генома европейской осины уже была довольно хорошей по сравнению, например, с елью обыкновенной. Однако она всё ещё была фрагментирована, что затрудняло проведение анализов, зависящих от высококонтигуальной сборки. Примеры таких анализов: обнаружение сигнатур ДНК, связанных с признаками, с помощью полногеномного поиска ассоциаций (GWAS), или изучение эволюционной истории путём анализа крупномасштабных геномных перестроек.

Страгия сборки генома и создание BatchMap

Страгия включала современное секвенирование длинными ридами, полирование высокоточными короткими ридами и комбинацию с оптической и генетической картами для дальнейшего связывания изначально собранных скаффолдов в полностью собранные хромосомы. Генетическая карта, содержащая около 20 000 генетических маркеров, является одной из самых полных, созданных для любого организма на сегодняшний день.

"Это была ошеломляющая масса информации, с которой большинство обычно используемых бесплатных программных продуктов не могли справиться", — говорит Бастиан Шиффталер.

Упорядочивание маркеров на генетической карте — это классическое применение задачи коммивояжёра. Чтобы вывести идеальный порядок всего для шестидесяти маркеров, потребовалось бы больше вычислений, чем атомов во Вселенной, поэтому всё ПО полагается на приближения, но даже они были слишком медленными для набора данных такого размера.

Чтобы решить эту проблему, Бастиан Шиффталер разработал "BatchMap" — программный пакет, который ускоряет вычисления, необходимые для нахождения порядка генетических маркеров с наибольшей вероятностью с учётом их паттернов наследования. Программа делит вычисления на небольшие пакеты, которые легко вычисляются и могут выполняться параллельно. Это резко сократило время расчётов, и Бастиан Шиффталер смог создать плотную карту генетических сигнатур на хромосомах европейской осины. С момента создания BatchMap он был принят другими геномными проектами, такими как сборка генома ели обыкновенной и октаплоидной земляники.

Применение улучшенного генома для анализа сложных признаков

"Мы хотели оценить нашу улучшенную сборку в контексте полногеномных ассоциативных исследований, чтобы найти гены, участвующие в метаболизме салициноидов. Эти метаболиты присутствуют только у видов Populus и Salix и помогают защищать растение от травоядных", — объясняет Бастиан Шиффталер.

По сравнению с предыдущими попытками, использовавшими более фрагментированную сборку, новая версия генома значительно улучшила анализ этого сложного признака и позволила получить новые представления об эволюции различных видов Populus.

Идентификация генов, контролирующих сложные признаки, очень сложна. Бастиан Шиффталер изучал вариацию формы листа у европейской осины — сложный признак, который наследуется от родителей, но всё же сильно различается между особями. Результаты показывают, что форма листа контролируется сложной сетью множества различных генов, причём каждый отдельный ген часто оказывал лишь незначительное влияние на окончательную форму листа.

Интегративный подход и инструмент Seidr

Бастиан Шиффталер считает, что для лучшего понимания таких признаков, как форма листа, необходим интегративный подход, при котором признаки анализируются на всех этапах, способствующих их проявлению. Поэтому он разработал "Seidr" — набор инструментов для изучения взаимодействий генов, которые активно превращаются в белок в организме. Он надеется, что интеграция "Seidr" с другими уровнями данных позволит учёным в будущем лучше предсказывать сложные признаки у деревьев.