Новый детальный геном кукурузы показывает огромный потенциал растения для адаптации

В журнале Nature опубликован новый, гораздо более детальный референсный геном кукурузы. Эта последовательность ДНК из 10 хромосом растения помогает понять, почему именно кукуруза стала самой продуктивной и широко возделываемой культурой в мире.

Новая последовательность, среди прочего, показывает, что геномы отдельных растений кукурузы гораздо менее похожи друг на друга, чем геномы людей.

"Наш новый геном показывает, насколько невероятно гибко это растение — характеристика, которая напрямую следует из организации его генома", — говорит Дорин Уэр, доктор философии, руководившая проектом.

Эта гибкость объясняет успех кукурузы с момента её одомашнивания тысячи лет назад и указывает на её потенциал для выращивания в новых условиях в связи с изменением климата.

Ключ — не размер генома, а регуляция генов

Возможности адаптации растения определяются не только набором генов, но и контекстом их активности — тем, как и когда гены включаются или выключаются в разных особях. Именно эту вариабельность выявляет новый геном.

Сравнив высокоточный геном линии B73 с картами геномов двух других линий (W22 и Ki11), выращенных в разных климатах, учёные сделали поразительное открытие:

• Геномы двух людей совпадают с референсным геномом человека примерно на 98%.
• Геномы двух особей кукурузы (линий W22 и Ki11) в среднем совпадают с новым референсным геномом B73 только на 35%.

Эта разница отражает изменения как в последовательности самих генов, так и в их экспрессии.

Технологический прорыв: длинное прочтение

Первый референсный геном кукурузы 2009 года был собран из более чем 100 000 мелких фрагментов и плохо справлялся с повторяющимися последовательностями.

Новый геном построен с помощью технологии длинного прочтения (long-read sequencing) всего из ~3000 фрагментов. Это даёт детальное представление о межгенных регионах, где часто расположены регуляторные элементы, контролирующие работу генов. Стоимость проекта составила около 150000 * *против * *35 млн за предыдущий.

Значение для селекции и эволюции

Детализация межгенных областей позволяет "прочитать истории" из геномов разных особей и понять эволюцию кукурузы. Особую роль здесь играют транспозоны ("прыгающие гены"), открытые в кукурузе Барбарой Мак-Клинток.

Их перемещение может нарушить работу гена или изменить его экспрессию. Влияние транспозонов на разные линии кукурузы помогает объяснить эволюционный успех растения.

"Разнообразие кукурузы — это ресурсная база для селекции. Это ключ к созданию лучшей кукурузы и увеличению её урожаев в будущем", — говорит Иньпин Цзяо, первый автор статьи.

Геномная пластичность означает, что у растения есть огромный нереализованный адаптационный потенциал, что крайне важно для обеспечения продовольственной безопасности в условиях роста населения и изменения климата.