Автоматизированный скрининг генома ускоряет борьбу с болезнями растений

Исследователи из Института Эрлхэма (EI) создали новый автоматизированный рабочий процесс с использованием роботов для жидкостной обработки, чтобы выявить генетическую основу защиты растений от патогенов. Этот метод работает гораздо быстрее и масштабнее существующих.

Новый автоматизированный рабочий процесс EI Biofoundry позволяет учёным эффективно визуализировать генетические мутации, связанные с контролем болезней сельхозкультур. Анализ ускоряется с месяцев до недель, что способствует разработке новых средств защиты растений.

Рабочий процесс был применён совместно с группой Трумэна из Центра Джона Иннеса для экспериментов с контролем над распространённым патогеном картофеля — Streptomyces scabies, вызывающим паршу. Исследовали бактерию Pseudomonas sp.

Команда проанализировала 2880 мутантов Pseudomonas sp. (выделенных из картофельного поля) на наличие патогена всего за 11 часов. За две недели удалось идентифицировать и связать ингибирование роста патогена с конкретным биосинтетическим кластером генов, что показало, какие гены предотвращают заболевание.

Этот подход позволяет точно определить гены, участвующие в подавлении роста патогена бактериями, а не самими растениями. В результате продуктом для защиты урожая может стать либо бактериальный штамм, либо молекула, которую он производит.

Новый автоматизированный процесс EI позволит учёным масштабировать идентификацию кластеров генов Pseudomonas, ответственных за ограничение роста патогена, избежать человеческих ошибок и повысить воспроизводимость и точность. Этот подход также применим к аналогичному анализу бактериальных геномов.

Соавтор исследования и руководитель Earlham BIO Foundry доктор Хосе А. Карраско Лопес заявил: «Мы демонстрируем применимость биофабрик в молекулярной микробиологии, используя автоматизированные рабочие процессы для идентификации генетической основы ингибирования роста фитопатогена Streptomyces scabies штаммом Pseudomonas».

«Рабочий процесс EI Biofoundry привёл к идентификации кластера генов, связанного с ингибирующим эффектом на патоген картофеля, что значительно упростило процесс. Обнаружение новых генетических детерминант открывает путь к поиску метаболитов, участвующих в подавлении патогена».

Новый рабочий процесс поможет учёным понять, как гены участвуют в синтезе ингибирующих метаболитов, изучить диапазон ингибирования вида и то, как эти гены можно использовать для биоконтроля, а также понять устойчивость Pseudomonas к собственному ингибирующему метаболиту.

«Ручной скрининг обычно проводится с помощью репликаторов в одной планшете, где многие мутанты находятся вместе в присутствии патогена, — добавляет доктор Карраско Лопес. — Это означает, что мутант по несвязанному гену может маскировать отсутствие ингибирующего эффекта у настоящего “попадания” из-за близости. Мы решили эту проблему, создав индивидуальные анализы для каждого мутанта».

Хотя подобные микробиологические методы использовались и раньше, в данном исследовании впервые применён автоматизированный процесс скрининга, сокративший необходимое время до недель, тогда как вручную это могло занять месяцы.

Соавтор и первый автор исследования Аластер Моффат, аспирант лаборатории Трумэна, отметил: «Ранее мы не могли идентифицировать гены, важные для ингибирования роста патогена, с помощью биоинформатических подходов. Но этот рабочий процесс позволил нам быстро исследовать эффекты почти каждого вспомогательного гена в геноме изолята Pseudomonas и найти новый биосинтетический кластер генов за очень короткое время».

EI Biofoundry планирует развивать исследование, модифицируя рабочий процесс для адаптации к новым проектам и патогенам. «Как только мы идентифицируем кластер генов, участвующий в синтезе этого нового метаболита, учёные смогут мутировать каждый ген, чтобы определить их функции и найти гены, необходимые для синтеза метаболита», — говорит доктор Карраско Лопес. Это можно применить для контроля фитопатогенов, повышения урожайности картофеля, тестирования диапазона ингибирования этих метаболитов и поиска новых генов у других бактерий, связанных с подавлением патогенов сельхозкультур.