Признаки отбора, запечатлённые в геномах тополей
Исследователи разрабатывают модели изменения климата, которые учитывают возможные сдвиги ареалов растений и влияние таких факторов, как температура, доступность воды и уровень освещённости. Один из прогнозируемых эффектов глобального потепления — постепенное продвижение лесов на север и их укоренение в тающей Арктике.
Новое исследование, опубликованное онлайн 24 августа 2014 года в Nature Genetics, предлагает более глубокий популяционный подход к выявлению механизмов адаптации. Описанный метод может быть использован для создания более точных прогностических моделей изменения климата. Для Министерства энергетики США, которое занимается разработкой биомассы для производства биотоплива, эти знания могут определить, какие генотипы (генетический состав организма) культур для биомассы будут лучше развиваться в определённых условиях.
Команда под руководством Джеральда Таскана из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) и Стивена ДиФацио из Университета Западной Вирджинии использовала комбинацию полногеномного сканирования отбора и анализа, чтобы понять процессы, формирующие генетическую изменчивость естественных популяций тополя (Populus trichocarpa).
В рамках этого долгосрочного исследования команда взяла образцы у 1100 тополей из диких популяций в Калифорнии, Орегоне, Вашингтоне и Британской Колумбии. Затем эти деревья были клонально размножены (черенками) на трёх плантациях в Калифорнии и Орегоне. Для анализа группа была сокращена до 544 неродственных особей, чьи генотипы можно было точно определить, чтобы охарактеризовать генетическую основу вариаций в адаптации.
Переход от подхода, ориентированного на отдельные гены-кандидаты, к крупномасштабному вычислительному анализу всех генов стал возможен благодаря доступности генома тополя, опубликованного DOE JGI в журнале Science в 2006 году. С момента публикации этот геном использовался для понимания развития древесных многолетних растений и служил моделью для геномных исследований лесных деревьев. Сама публикация была процитирована более 1000 раз в самых разных журналах.
«Впервые глубокие геномные ресурсы были применены к экологическому вопросу, в данном случае: "Что отбор делает на уровне генома?"», — сказал Таскан. «Раньше люди изучали адаптацию к таким факторам, как температура и уровень освещённости, и рассматривали вариации в этих генах в зависимости от градиентов окружающей среды. Это было очень узкое представление о причинах ответной реакции. Здесь мы применили пять основных подходов ко всему геному вслепую и позволили анализу показать нам, где находятся "отпечатки пальцев" отбора и какие гены попадают под эти отпечатки».
Переход от 1000 генотипов и 45 000 генов «к пониманию того, что не просто статистически значимо, но и биологически значимо», был непростым, сказал первый автор исследования Люк Эванс из Университета Западной Вирджинии. «Мы сделали это, определив цели отбора — то, что выглядело так, будто находится под действием естественного отбора в диких популяциях, и посмотрели на доказательства роста и производительности, влияющие на адаптивные признаки. Если эти цели демонстрировали не только вычислительные признаки отбора, но и влияли на фенотипы, это было прекрасным взаимодополняющим подтверждением».
ДиФацио подчеркнул значимость вычислительной работы: «Наш подход особенно мощный, потому что мы исследуем существующую естественную изменчивость, являющуюся результатом десятков тысяч лет эволюции и отбора, так что идентифицированные нами аллели или варианты генов имеют большие перспективы для обеспечения устойчивого, долгосрочного улучшения сырья для биотоплива».
Эванс также отметил, что их исследование выявило почти 18 миллионов однонуклеотидных вариантов последовательности ДНК (так называемых «SNP») у тополя. Эти данные доступны на портале сравнительной геномики растений DOE JGI Phytozome. «Это огромное количество естественных вариантов, многие из которых находятся в генах химии клеточной стенки и других известных генах продуктивности. Это представляет собой непосредственный ресурс для программ селекции деревьев», — сказал он.
Команда идентифицировала 397 геномных регионов, которые вносят вклад в адаптивные признаки диких популяций тополей. Например, данные о высоте, весеннем распускании почек и осенней закладке почек, собранные с клонально размноженных тополей на трёх плантациях, показали, что в более тёплом климате благоприятствовались деревья с более ранним распусканием почек и более поздней их закладкой.
Учитывая важность тополей не только для экосистемы (например, в захвате углерода), но и их экономическое значение в областях от лесоматериалов до биоэнергетики, Эванс отметил, что возможность создавать плантации тополей с помощью вегетативного размножения является важным инструментом селекции для выбора подходящих сортов. «Если вы знаете каждый нуклеотид в геноме, вы можете пропустить целые поколения и использовать геномную информацию, чтобы предсказать, насколько хорошо будет развиваться особь. Плантации служат первоначальными испытательными площадками, где можно взять эту геномную информацию и откалибровать прогнозы. Имея эти точки отсчёта, вы можете масштабировать всё».