Новый инструмент для генетического картирования полиплоидных растений
Инновационная система генетического картирования для полиплоидных видов облегчит работу ученых и селекционеров, использующих геномику для выведения более продуктивных, устойчивых к болезням и засухе сортов. Полиплоиды — это организмы с более чем двумя наборами хромосом. Многие виды растений, имеющие экономическую ценность, такие как картофель, пшеница, хлопок и сахарный тростник, являются полиплоидами.
Исследование проведено в Колледже сельского хозяйства «Луис де Кейрос» Университета Сан-Паулу (ESALQ-USP) при поддержке Исследовательского фонда Сан-Паулу (FAPESP). Результаты опубликованы в журнале G3: Genes, Genomes, Genetics.
Пакет программного обеспечения с открытым исходным кодом называется MAPpoly и доступен для бесплатной загрузки из интернета.
До сих пор существовали системы только для генетического картирования диплоидных видов (2n) или простых полиплоидов (4n). Для сложных полиплоидов (Xn, множественные копии) возможных комбинаций хромосом гораздо больше, и процесс картирования значительно сложнее.
Многие сельскохозяйственные культуры генетически улучшены и являются полиплоидами. Например, батат (Ipomoea batatas) — гексаплоид (6n, шесть копий каждой хромосомы). Сорта сахарного тростника (Saccharum spp.), выращиваемые в Бразилии и других странах, имеют от 6n до 14n, что представляет собой сложную задачу для генетических исследований.
Разработка метода картирования генетики таких сложных растений была первоначальной целью исследования Марсело Моллинари, ныне постдокторанта Университета штата Северная Каролина. Он разработал большую часть системы во время постдокторских исследований под руководством профессора Антонио Аугусто Франко Гарсии на стипендию FAPESP.
«Используя знания и инструменты статистической генетики, исследование привело к новому методу, который надежно решает эту проблему», — сказал Моллинари.
Исследование также получило финансирование от исследовательской программы FAPESP BIOEN.
Более точная информация
Моллинари изучает разработку систем генетического картирования полиплоидов со времен магистерской диссертации. До сих пор не существовало системы, специально предназначенной для картирования сложных полиплоидов. Ученые использовали системы для диплоидных организмов, адаптируя инструменты для статистического анализа, что приводило к неточному картированию.
«Когда мы получаем данные, трудно понять, что происходит в определенных точках хромосомы. Может быть много комбинаций, и информация расплывчата», — отметил Моллинари.
Чтобы преодолеть эту трудность, Моллинари обратился к статистической технике, известной как скрытые марковские модели. Они позволяют рассматривать хромосомы в целом и заполнять позиции, чтобы получить полное представление о положении хромосом в геноме.
После разработки алгоритмов Моллинари провел симуляции для тестирования платформы. Одна из них включала картирование двух сортов картофеля (Atlantic и B1829-5), уже картированных с помощью методов для диплоидов. Он сравнил результаты с существующими картами для валидации своей системы, а также провел сравнительное моделирование с голландским ПО, адаптированным для полиплоидов.
Новая система может использоваться для картирования генов различных полиплоидов: кормовых трав, киви, голубики, а также сахарного тростника. Исследователи по меньшей мере из семи учреждений уже используют платформу Моллинари для анализа этих видов.
Новый метод также применяется в исследованиях кормовых растений в Бразилии. Последнее применение — участие Моллинари в проекте по разработке геномных инструментов для селекции батата, финансируемом Фондом Билла и Мелинды Гейтс, с целью поддержки фермеров в Африке к югу от Сахары.
Генетическое улучшение требует проверки того, как каждая хромосома была унаследована потомством от скрещиваний. Это можно сделать с помощью MAPpoly. В сочетании с фенотипическим картированием это позволит селекционерам быстрее и эффективнее выводить новые сорта.
«Это инструмент, который облегчает работу селекционеров, но никогда не сможет их заменить. У них есть глубокие знания признаков и опыт для отбора черт, необходимых для создания новых сортов», — подчеркнул Моллинари.