Внедрение биоинформатики в генных банках

Сохранение растительного биоразнообразия — задача примерно 1750 генных банков по всему миру. В них хранятся образцы растений и иногда дополнительная фенотипическая или генетическая информация о примерно 7,4 миллионах образцов (аксцессий) видов растений. Ожидается, что с улучшением доступа к более быстрым и дешёвым технологиям секвенирования и другим омикс-технологиям, количество хорошо охарактеризованных аксцессий и объём детальной информации, которую необходимо хранить вместе с биологическим материалом, будет быстро и непрерывно расти. Команда учёных из Института генетики растений и исследований культурных растений общества Лейбница (IPK) в Гатерслебене заглянула в будущее, рассмотрев предстоящие вызовы и возможности для генных банков, опубликовав перспективную статью в Nature Genetics.

В начале-середине XX века стало очевидно, что местные сорта сельскохозяйственных культур постепенно вытесняются современными сортами и находятся под угрозой исчезновения. Чтобы предотвратить потерю генетического разнообразия и биоразнообразия, были созданы первые генные банки. Сегодня они функционируют как биорепозитории и хранилища растительного биоразнообразия, но, что важнее, — как библиотеки, превращающие генетическую информацию и растительный материал в свободно доступный и ценный ресурс. Учёные, селекционеры и другие специалисты по всему миру могут запрашивать и использовать данные, хранящиеся в более чем 1750 глобальных генных банках.

Генный банк IPK в Гатерслебене содержит одну из самых полных коллекций культурных растений и их диких родственников — всего 151 002 аксцессии от 2 933 видов и 776 родов. Большинство образцов зародышевой плазмы хранится в виде сухих семян при -18°C, тогда как вегетативно размножаемые аксцессии постоянно культивируются в поле (ex situ) или сохраняются в жидком азоте при -196°C. Онлайн-портал генного банка IPK позволяет пользователям просматривать и фильтровать хранящиеся образцы и соответствующие паспортные данные, а также запрашивать растительный материал в некоммерческих масштабах.

В новой статье доктор Мартин Машер и его коллеги из IPK рассматривают текущие и предстоящие вызовы для генных банков и возможности для их дальнейшего развития.

Учёные выделили три основные проблемы, требующие внимания:

1. Отслеживание идентичности аксцессий.
2. Необходимость избегать ненужного дублирования внутри и между генными банками.
3. Сохранение генетической целостности аксцессий из-за inherent drawbacks консервации ex situ, таких как дифференциальная выживаемость, дрейф и генетическая эрозия при хранении и регенерации.

Авторы предполагают, что более сильный геномно-ориентированный подход может помочь в решении этих задач. Например, традиционные "паспортные данные" описывают таксономию и происхождение образцов. Добавление однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs) в качестве определяющих характеристик аксцессии может служить молекулярными паспортными данными. Это дополнит и исправит традиционные записи, поможет очистке коллекций от дубликатов и улучшит их качество и целостность.

Внедряя переход к биоинформатике и анализу больших данных в растениеводстве, традиционные генные банки, фокусирующиеся на сохранении коллекций зародышевой плазмы, смогут трансформироваться в био-цифровые ресурсные центры. Они будут сочетать хранение и использование растительного материала с его геномной и молекулярной характеристикой.

Текущее финансирование генных банков ещё не позволяет систематически генерировать молекулярные паспортные данные для каждого поступающего образца. Однако первые шаги в направлении высокопроизводительного генотипирования целых коллекций уже сделаны. Это было ранее продемонстрировано международным консорциумом под руководством IPK, который охарактеризовал мировую коллекцию из более чем 22 000 сортов ячменя на молекулярном уровне с помощью genotyping-by-sequencing. Некоторые авторы перспективной статьи также участвовали в этом исследовании и способствовали созданию веб-информационного портала BRIDGE.

BRIDGE (Biodiversity informatics to bridge the gap from genome information to educated utilization of genetic diversity hosted in gene banks) — это хранилище данных полученной геномной информации по ячменю, которое связано с фенотипической информацией, собранной в Федеральном ex situ Генном банке сельскохозяйственных и садовых культур, размещённом в IPK.

В то время как BRIDGE уже прокладывает путь к превращению Гатерслебенского генного банка в "универсальный центр для облегчённого и информированного использования биоразнообразия культурных растений", международные коллаборации, такие как организация DivSeek, создают международную основу для более эффективной обработки и мобилизации генетического разнообразия растений по всему миру. Это начинает устранять разрыв между биоинформатиками, генетиками и кураторами генных банков. Таким образом, всемирная сеть био-цифровых ресурсных центров, свободно обменивающихся данными и способствующих прогрессу в исследованиях в области растениеводства и селекции, может стать реальностью в ближайшем будущем.