Новые инструменты позволят глубже изучить гены пшеницы

Ученые из Медицинского института Говарда Хьюза создали крайне необходимый генетический ресурс, который значительно ускорит изучение функций генов пшеницы. Ресурс представляет собой коллекцию семян пшеницы с более чем 10 миллионами секвенированных и тщательно каталогизированных генетических мутаций. Он находится в свободном доступе для селекционеров и исследователей и уже помогает в создании растений пшеницы с улучшенными признаками.

Разработку нового генетического инструмента возглавили Хорхе Дубковски, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и Фонда Гордона и Бетти Мур в Калифорнийском университете в Дэвисе, и его коллега Кристобаль Уауй, генетик культур из Института Джона Иннеса в Великобритании. Работа была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 16 января 2017 года. «Я думаю, это действительно меняет правила игры для нашего сообщества», — говорит Дубковски.

Пшеница — жизненно важная культура, обеспечивающая 20% калорий, потребляемых людьми во всем мире. Для поддержания продовольственной безопасности селекционеры работают над созданием растений с большей питательной ценностью, более высокой урожайностью и способностью процветать в меняющемся климате. Однако ключевая генетическая особенность затрудняет изучение и манипулирование этим растением. Как и многие растения, пшеница является полиплоидной, то есть имеет несколько копий своего генома в каждой клетке: у макаронной пшеницы две копии каждого гена, а у хлебной — три.

Для изучения функции отдельного гена исследователи обычно мутируют или удаляют этот ген, чтобы увидеть последствия — подход, известный как обратная генетика. Но у полиплоидного организма, такого как пшеница, мутации в отдельных генах часто не имеют видимого эффекта, потому что дополнительные копии мутировавшего гена компенсируют потерю. Исследователям необходимо несколько раз скрещивать растения с мутациями в разных копиях гена, чтобы получить поколение растений, в котором функция гена утрачена. Копии генов также скрывают естественную изменчивость в геноме пшеницы, которая могла бы создать возможности для селективного выведения растений с полезными признаками.

Исследователи пшеницы понимали, что всеобъемлющая коллекция линий пшеницы с определенными генетическими мутациями изменит их работу. «У нас не было никакого ресурса для обратной генетики пшеницы, и он был абсолютно необходим для изучения функции генов», — говорит Дубковски. Но из-за сложности генома пшеницы создание такого ресурса было масштабной задачей.

Более пяти лет назад Дубковски и его коллеги химически индуцировали случайные генетические мутации в тысячах семян пшеницы и начали создавать и характеризовать свою коллекцию мутантных линий. Чтобы сделать возможным анализ ДНК всех линий, исследователи разработали подход, позволяющий сосредоточиться на небольшой части генома, кодирующей белки. Сосредоточившись на этой небольшой части генома каждого растения, команда секвенировала 400 миллиардов пар оснований ДНК, используя современные технологии секвенирования для анализа растений, выросших из мутировавших семян — всего 2735 мутантных линий. Семена от каждой линии растений были размножены и сохранены для распространения.

Поскольку полиплоидность пшеницы позволяет ей переносить множество мутаций без ущерба для роста, исследователи смогли создать линии с высокой плотностью генетических мутаций — в каждом растении были обнаружены тысячи мутаций. Более 90% генов растений нарушены десятью миллионами мутаций, каталогизированных в коллекции, что делает ее мощным ресурсом для изучения функции почти любого гена пшеницы.