Пангеномное исследование раскрывает генетическое разнообразие дикого и культурного риса

Исследование создало беспрецедентную пангеномную карту дикого и культурного риса и расшифровало генетическую архитектуру и разнообразие этой культуры. Работа, опубликованная онлайн в Nature 16 апреля, предоставляет мощный ресурс для селекции и инноваций в сельском хозяйстве, а также предлагает новые взгляды на эволюционную и доместикационную историю риса. Исследование проведено группой профессора Хань Бина из Центра передового опыта в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук.

Перед лицом изменения климата и быстрого роста населения мира азиатский культурный рис (Oryza sativa), основной продукт питания для миллиардов людей, остро нуждается в устойчивом повышении устойчивости к вредителям, болезням и урожайности. В то время как культурный рис изучен extensively, его дикий предок Oryza rufipogon, сформированный тысячелетиями адаптации к разнообразным средам, оставался в значительной степени неисследованным, что оставляло критические пробелы в понимании полного генетического потенциала дикого риса.

В этом исследовании ученые получили 145 географически и генетически разнообразных геномов риса, включая 129 образцов дикого риса и 16 культурных сортов. В основном с использованием передовой технологии секвенирования PacBio HiFi и вычислительных методов они создали пангеном с самым высоким на сегодняшний день разрешением, который охватывает полный генетический ландшафт дикого риса и выявляет скрытые вариации, критически важные для улучшения сельскохозяйственных культур.

Исследователи обнаружили 3.87 миллиарда пар оснований новых генетических последовательностей, отсутствующих в единственном общепризнанном референсном геноме (O. sativa ssp. japonica cv. Nipponbare), а также 69 531 ген, коллективно охватывающих пангеном. Почти 20% этих генов существуют только в диком рисе, многие из них связаны с устойчивостью к болезням и адаптацией к окружающей среде. Эти гены представляют собой «генетическое золотое дно», которое может помочь в создании современных сортов риса, способных противостоять вредителям, болезням и вызовам меняющегося климата.

Используя высококачественные последовательности геномов, исследователи провели гаплотипный анализ ключевых ранних генов доместикации в различных группах азиатского культурного риса и доказали, что все локусы доместикации происходят от предка japonica Or-IIIa. Этот вывод убедительно поддерживает гипотезу о том, что все группы азиатского культурного риса прошли через единое первоначальное событие доместикации, предоставляя решающие доказательства для давних научных дебатов.

Кроме того, исследователи выявили обширный генный поток между группами культурного риса в Южной Азии, что привело к классификации вновь идентифицированной субпопуляции, intro-indica, и успешному построению комплексной карты эволюции и доместикации риса.

Более того, исследователи изучили генетическое расхождение между двумя основными подвидами — indica и japonica. Они идентифицировали более 850 000 однонуклеотидных полиморфизмов и 13 000 вариаций присутствия-отсутствия между ними. Результаты показали, что эти вариации в основном возникли из-за расхождения их соответствующих предков и существования более узкого генетического «бутылочного горлышка» у japonica, что открывает новые возможности для комбинирования полезных генов из разных подвидов риса.

Почти насыщенный пангеномный набор данных, интегрирующий ценные дикие генетические ресурсы, предоставляет мощную основу для сельскохозяйственных исследователей и селекционеров растений. Ученые могут выявлять благоприятные аллели, отслеживать происхождение ключевых генов и углублять понимание адаптации риса к окружающей среде и его фенотипической пластичности. Исследование предлагает дорожную карту для разработки сортов риса, способных выдерживать климатические крайности, требовать меньше ресурсов и давать более высокие урожаи.

Редакторы Nature отметили важность этого исследования для будущей продовольственной безопасности в разделе Research Briefing.