Расшифрован крупный и сложный геном пшеницы

Пшеница мягкая (Triticum aestivum) — одна из трёх важнейших мировых сельхозкультур, обеспечивающая 20% потребляемых человечеством калорий. Полностью 35% из 7 миллиардов людей на планете зависят от этого основного продукта питания. Международная команда учёных, включая группу из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), завершила первый комплексный анализ её полного генома.

Исследование раскрывает эволюцию хлебной пшеницы от предковых форм до современной одомашненной. Из-за сложности генома растения анализ оказался технически трудной задачей. Но потенциальная выгода велика: разработка новых стратегий для селекции и улучшения сортов пшеницы.

Сложная техническая задача

Чтобы оценить огромный размер генома пшеницы: общее количество парных оснований ДНК (нуклеотидов) составляет 17 000 000 000 пар оснований (17 Gb). Это примерно в пять раз больше ДНК, чем в геноме человека. Однако до 80% генома пшеницы состоит из повторяющихся последовательностей. Из-за размера генома и стандартных методов секвенирования (сборки из миллиардов мелких фрагментов) крайне сложно определить происхождение каждой прочитанной последовательности и отличить уникальные участки от повторов.

Геном пшеницы классифицируется как гексаплоидный. Это означает, что у него есть шесть копий каждой из семи хромосом; полный набор составляет 42 хромосомы. Для сравнения, геном человека диплоидный — 23 пары хромосом, всего 46.

Лаборатория профессора У. Ричарда МакКомби, Ph.D., в CSHL участвовала в международном проекте по преодолению технических сложностей секвенирования этого большого и сложного генома.

Для решения задачи использовались методы секвенирования нового поколения, при которых ДНК случайным образом разбивается на множество мелких сегментов, а затем собирается в более длинные последовательности по перекрывающимся концам. Полученные "прочтения" последовательностей пшеницы сравнивали с известными последовательностями различных злаков, включая рис и ячмень.

Секвенирование диплоидных предков пшеницы позволило команде вычислительно отделить копии генов от повторов. Эти данные были использованы для углубления понимания гексаплоидного предкового генома и его временной связи с диплоидным предком.

Древнее происхождение, эволюция и будущее сельского хозяйства

Хлебная пшеница возникла около 8000 лет назад в результате гибридизации культивируемой пшеницы (T. dicoccoides) и дикого родственника — эгилопса (Aegilops tauschii), во время распространения земледелия.

В ходе работы исследователи идентифицировали от 94 000 до 96 000 генов. Они также отметили обилие фрагментов генов — предковых генов, "разрезанных" в процессе многовековой селекции.

Кроме того, был собран каталог из 132 000 SNP (однонуклеотидных полиморфизмов) — позиций в геноме, где одна "буква" ДНК отличается от последовательности у близкородственных растений.

Исследование показывает, что геном пшеницы претерпел быстрые и значительные изменения, включая потерю членов генных семейств в период доместикации. Именно тогда пшеница перешла от двух наборов хромосом к их умножению — в итоге до 6 наборов, наблюдаемых сегодня. Такое умножение хромосом считается желательным, так как позволяет преодолеть стерильность при скрещивании гибридных культур.

Учёные также обнаружили множество расширенных генных семейств в геноме пшеницы. Большинство из них связаны с урожайностью и включают гены, участвующие в защите, питательной ценности, улавливании энергии, метаболизме и росте.

Современные методы селекции и знания используются на пределе, и рост урожайности замедлился. Секвенирование и анализ, представленные в этом исследовании, создают основу для дальнейшего улучшения этой культуры.