Простой геном хлопка дает ключи к улучшению волокна
Международный консорциум исследователей опубликовал высококачественный черновой сбор генома самого простого хлопка в выпуске журнала Nature от 20 декабря 2012 года. В исследовании ученые проследили эволюцию хлопка и развитие волокна за миллионы лет. Кроме того, специалисты по биоэнергетике надеются узнать больше о биосинтезе целлюлозы из этого генома, поскольку каждое волокно хлопка состоит из нескольких спиралей целлюлозы — целевой биомассы для биотоплива следующего поколения.
В выпуске Nature от 20 декабря 2012 года международный консорциум из 31 института, включая команду Объединенного института геномики Министерства энергетики США (DOE JGI), представил высококачественную черновую сборку генома самого простого хлопка (Gossypium raimondii). Команда также сравнила геном этого предкового вида, произрастающего в Америке, с несколькими другими наборами данных по хлопку, предоставленными Министерством сельского хозяйства США (USDA). Результаты позволили исследователям проследить эволюцию хлопка за миллионы лет — от диких разновидностей до одомашненных видов, связанных с производством текстиля.
Хлопковые растения, растущие на типичных полях в США, являются полиплоидами — гибридами двух типов хлопка (хлопок A и хлопок D) с несколькими копиями их геномов или наборов хромосом. Диплоидный G. raimondii был выбран для секвенирования, в частности, потому что он имеет меньший геном и меньше повторяющихся элементов, чем хлопок с A-геномом, и гораздо менее сложен, чем полиплоидный хлопок. Хлопок с D-геномом, в отличие от A-генома, не производит пригодных для прядения волокон. Наличие данных нескольких геномов для сравнения позволило команде проследить происхождение хлопка, эволюцию гибридов и дупликации генов, позволившие развиться волокну.
Значение для биоэнергетики и сельского хозяйства
«Эти данные по хлопку помогут ускорить изучение функции генов, в частности биосинтеза целлюлозы, понимание которого фундаментально для улучшения производства биотоплива», — сказал Джереми Шмутц, руководитель программы DOE JGI по растениям. Он отметил, что уникальная структура хлопкового волокна делает его полезным в биоремедиации, а ускоренное улучшение сортов хлопка также обещает повысить эффективность использования воды и сократить применение пестицидов.
Вклад DOE JGI в секвенирование и сборку генома размером 760 миллионов пар оснований стал результатом предложения программы Community Sequencing Program под руководством профессора Университета Джорджии Эндрю Патерсона. «Это исследование впервые сравнило полиплоидное растение с его предками на уровне всего генома, — сказал он. — Оно раскрывает эволюционные процессы, важные для всех растений, и предоставляет стратегию для лучшего понимания генома многих других культур, таких как рапс, пшеница и арахис».
Изучение генетического вклада D- и A-геномов в общие виды хлопка может помочь исследователям улучшить характеристики волокна. Дон Джонс, директор по сельскохозяйственным исследованиям в Cotton Incorporated, заявил, что эта «золотая» эталонная последовательность генома G. raimondii станет основой для секвенирования хлопчатника обыкновенного (G. hirsutum), который составляет большую часть мирового посевного хлопка. «Эта последовательность — краеугольный камень, который поможет углубить наши знания, чтобы мы лучше понимали биологию, ведущую к повышению урожайности, улучшению качества волокна и лучшей устойчивости к стрессам».
Помимо DOE JGI, Университета Джорджии, USDA и Cotton Incorporated, в проекте участвовали и другие государственные и частные организации, включая Университет штата Айова, Университет штата Миссисипи, Консорциум исследований в области биотехнологии растений и Национальный научный фонд США.