Карты генома мискантуса проливают свет на эволюцию злаков

Травы рода Miscanthus используются в садах, сжигаются для получения тепла и энергии, а также перерабатываются в жидкое топливо. Они принадлежат к важному семейству злаков, включающему кукурузу, сорго и сахарный тростник. Две новые, независимо созданные хромосомные карты Miscanthus sinensis (декоративного вида, вероятно, являющегося родителем энергетической культуры Miscanthus giganteus) — это первый шаг к секвенированию генома M. sinensis. Исследования показывают, как новый вид растений с отличительными признаками может возникнуть в результате дупликаций и слияний хромосом.

Оба исследования опубликованы в этом году: первое, под руководством компании Ceres, — в журнале PLoS ONE; второе, от команды исследователей Иллинойсского университета, — в журнале BMC Genomics. Данные, материалы, методы и генетические маркеры, использованные в последнем исследовании, находятся в открытом доступе.

До этой работы было известно, что M. sinensis имеет базовый набор из 19 хромосом и близкородственен сорго, у которого базовый набор — 10 хромосом. Без карты и последовательности генома Miscanthus исследователи, стремящиеся максимизировать урожайность или найти гены, ответственные за его ценные признаки, работали вслепую.

Учёные использовали информацию, полученную из генома сахарного тростника, для разработки сотен генетических маркеров, нацеленных на определённые участки генома M. sinensis. Затем они скрестили два растения M. sinensis и вырастили 221 потомка. Сравнивая, как маркеры от каждого родителя распределились у потомства, команда реконструировала 19 «групп сцепления», соответствующих 19 хромосомам мискантуса. Эта грубая карта — первый шаг к получению генома Miscanthus.

Используя геном сорго в качестве сравнительного референса, анализ показал, что M. sinensis возник в результате дупликации генома сорго с последующим слиянием некоторых частей хромосом.

«Некоторые растения дуплицируют свои геномы, а затем происходит своего рода сортировка, — объясняют авторы. — Иногда теряются целые хромосомы, а иногда происходят слияния». После дупликации каждая копия хромосомы идёт по своему эволюционному пути, и одна из версий может начать «ухудшаться», в то время как определённые гены и позиции получат преимущество.

Дупликации генома могут как подорвать жизнеспособность растения, так и дать ему преимущество. Одно из непосредственных преимуществ удвоения или утроения генома — увеличение размера растения или его отдельных частей. Человек отбирал растения по этим признакам: например, клубника является октоплоидом (имеет восемь наборов хромосом), как и сахарный тростник, который крупнее своих диких родственников.

Исследователи были удивлены, обнаружив высокую степень сходства между геномами Miscanthus и сорго: для около 90% маркеров мискантуса их хромосомный порядок соответствует таковому у сорго.

Новые данные и будущая публикация генома Miscanthus помогут учёным понять эволюцию злаков и генетические механизмы, лежащие в основе их полезных признаков, таких как холодоустойчивость.