Успех в генетике: исследователи расшифровали сложный геном сахарного тростника

Современный гибридный сахарный тростник — одна из самых культивируемых культур в мире, используемая для производства сахара, патоки, биоэтанола и биоматериалов. Он также обладает одним из самых сложных генетических чертежей.

До сих пор сложная генетика сахарного тростника делала его последней крупной культурой без полного и высокоточного генома. Ученые разработали и объединили несколько методов, чтобы успешно картировать генетический код сахарного тростника. С помощью этой карты они смогли подтвердить конкретное местоположение, обеспечивающее устойчивость к опасной бурой ржавчине — болезни, которая может опустошить урожай сахара. Исследователи также могут использовать генетическую последовательность, чтобы лучше понять множество генов, вовлеченных в производство сахара.

Исследование проводилось в рамках Community Science Program в U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (JGI). Исследование опубликовано в журнале Nature, а геном доступен через портал растений JGI Phytozome.

"Это была самая сложная геномная последовательность, которую мы когда-либо завершали", — сказал Джереми Шмутц. — "Это показывает, как далеко мы продвинулись. 10 лет назад люди считали такое невозможным".

Геном сахарного тростника сложен из-за своего большого размера и полиплоидии — наличия большего количества копий хромосом, чем у типичного растения. У сахарного тростника около 10 миллиардов пар оснований ДНК (для сравнения, у человека — около 3 миллиардов).

Многие участки ДНК сахарного тростника идентичны как внутри, так и между разными хромосомами. Это усложняет правильную сборку полного генетического чертежа из мелких сегментов. Исследователи решили эту задачу, комбинируя несколько методов генетического секвенирования, включая новый метод PacBio HiFi sequencing.

Наличие полного "референсного генома" упрощает изучение сахарного тростника, позволяя сравнивать его гены и пути с другими хорошо изученными культурами, такими как сорго или интересные биоэнергетические культуры — просо прутьевидное и мискантус.

Исследование показало, что гены, ответственные за устойчивость к бурой ржавчине (грибковому патогену, наносившему ущерб в миллионы долларов), находятся только в одном локусе генома.

"В геноме сотни тысяч генов, но только два гена, работающих вместе, защищают растение от этого патогена", — сказал первый автор статьи Адам Хили. — "Понимание этого механизма устойчивости может помочь защитить другие культуры от схожих патогенов".

Исследователи изучали культивар сахарного тростника R570, десятилетиями использовавшийся во всем мире как модель для понимания генетики. Как и все современные культивары, R570 — это гибрид, полученный скрещиванием одомашненного вида (отличного в производстве сахара) и дикого вида (носившего гены устойчивости к болезням).

"Полная генетическая картина R570 позволит исследователям проследить, какие гены унаследованы от какого родителя, что поможет селекционерам легче идентифицировать гены, контролирующие важные для производства признаки", — сказала последний автор статьи Анжелик Д'Он.

Улучшение будущих сортов сахарного тростника имеет потенциал как в сельском хозяйстве, так и в биоэнергетике. Повышение эффективности производства сахара может увеличить урожайность. Сахарный тростник — важное сырье для производства биотоплива, особенно этанола. Остатки после отжима тростника, жом (bagasse), также могут быть преобразованы в биотопливо и биопродукты.

"Лучшее понимание генетики сахарного тростника позволит нам лучше понять и контролировать генотипы растений, необходимые для производства сахаров и промежуточных продуктов из жома, которые нужны для устойчивых технологий переработки в масштабах биоэкономики", — сказал Блейк Симмонс.