Расшифрован сложный геном сахарного тростника
Исследователи впервые полностью секвенировали массивный и сложный геном сахарного тростника. Эта работа, опубликованная в Nature Genetics, заняла пять лет и потребовала усилий более 100 учёных из 16 институтов. Результат открывает путь к созданию более продуктивных и устойчивых сортов этой важнейшей культуры.
Почему это было так сложно?
- Геном сахарного тростника является аутополиплоидным: в ходе эволюции он удваивался дважды. В результате в ядре клетки находятся четыре слегка различающиеся версии каждой хромосомы.
- Это не только увеличило объём ДНК, но и создало огромные трудности для сборки генома из мелких фрагментов из-за множества почти идентичных последовательностей.
Как решили проблему?
Команда использовала комбинацию методов:
- Секвенирование третьего поколения (например, от Pacific Biosciences) для получения длинных фрагментов ДНК.
- Hi-C (high-throughput chromatin conformation capture) для определения пространственных контактов между участками хромосом в клетке.
- Собственный алгоритм ALLHIC для сборки данных. Этот подход позволил собрать геном в 32 хромосомы и провести аллель-специфичную аннотацию — определить, к какой из четырёх версий генома принадлежит каждая последовательность.
Ключевые открытия:
- История хромосом: Анализ показал сложную эволюционную перестройку. Вместо предполагаемого простого слияния двух хромосом, исследователи обнаружили, что две разные хромосомы разорвались, и все четыре фрагмента присоединились к другим существующим хромосомам.
- Устойчивость к болезням: Эти перемещённые крупные фрагменты хромосом оказались обогащены генами устойчивости к болезням и стрессам. Это объясняет, почему дикий вид Saccharum spontaneum служит таким ценным источником этих признаков для гибридов.
- Источник сладости: Даже у менее сладкого S. spontaneum были обнаружены мутации, приводящие к появлению множественных копий генов белков-переносчиков сахара.
- Структура гибрида: В геноме современного гибридного тростника (помесь S. officinarum и S. spontaneum) последовательности, унаследованные от S. spontaneum, случайным образом рассеяны по всему геному.
Значение работы:
Как отметил руководитель исследования Рэй Минг, отсутствие референсного генома серьёзно затрудняло геномные исследования и молекулярную селекцию сахарного тростника. Новые данные:
- Ускорят поиск эффективных аллелей генов устойчивости, уже присутствующих в современных гибридных сортах.
- Позволят внедрить молекулярную селекцию для целенаправленного улучшения культуры.
- Методология (ALLHIC) доказала свою эффективность и может быть применена для секвенирования других сложных полиплоидных геномов.