Исследование геномов кукурузы раскрывает её генетическое разнообразие
Учёные собрали геномы 26 различных генетических линий кукурузы, что наглядно демонстрирует богатое генетическое разнообразие культуры. Это достижение может проложить путь к лучшему пониманию генетических механизмов, ответственных за ценные для фермеров признаки.
Исследование, опубликованное в журнале Science, возглавлял Мэтью Хаффорд, первый автор работы и доцент экологии, эволюции и биологии организмов в Университете штата Айова. Новые геномы помогут учёным собрать воедино пазл генетики кукурузы. Используя эти геномы в качестве референсов, селекционеры смогут точнее отбирать гены, которые с большей вероятностью приведут к повышению урожайности или устойчивости к стрессам.
«Это позволяет получить гораздо более точное понимание того, что движет вариацией признаков, — сказал Хаффорд. — Если селекционер хочет отобрать правильную вариацию для получения интересующего его признака, но имеет лишь смутное представление о генетических причинах вариации этого признака, он работает со связанными руками. Мы даём им гораздо больше информации».
От одного генома к множеству
Первый собранный геном кукурузы принадлежал линии B73, выведенной в Университете штата Айова. Работа была завершена в 2009 году. С тех пор B73 служил основным референсным геномом, и лишь несколько дополнительных сборок появились в последние годы. Это означало ограниченное понимание генетических последовательностей в других линиях, отсутствующих в B73.
«Первый геном был бесценен, предоставив первоначальный список деталей и частичную схему, но мы знали, что он не полон, — отметила соавтор Дорин Уэр. — Было критически важно разработать другие геномные референсы, чтобы понять генетическую архитектуру, лежащую в основе важных сельскохозяйственных признаков».
26 геномов нового исследования охватывают широкий спектр разнообразия: от попкорна и сахарной кукурузы до полевой кукурузы из различных географических и экологических условий. Это даёт учёным гораздо больше референсных данных для поиска генетических мишеней, улучшающих характеристики культуры.
Преодоление сложностей разнообразия
Огромное генетическое разнообразие кукурузы создало серьёзные препятствия для сборки новых геномов. Около 85% генома кукурузы состоит из транспозонных элементов — повторяющихся последовательностей. Хаффорд сравнил их с пазлом, большинство деталей которого одного цвета, что крайне затрудняет сборку.
«Если вы не можете найти уникальный цвет или форму, которые подскажут, куда поместить деталь пазла, вы в беде, — пояснил он. — Но если вы получаете немного более крупные фрагменты пазла с уникальными особенностями, процесс упрощается».
Преодолеть эти барьеры помогли технологические достижения. Новые методы секвенирования позволяют получать более длинные фрагменты последовательностей («прочтения»), что аналогично увеличению деталей пазла с уникальными ориентирами для их правильной сборки.
Будущее: пангеном
Новые технологии могут даже позволить собрать пангеном — геномный референс, охватывающий всё разнообразие кукурузы. Хаффорд назвал эту задачу «следующим рубежом» данного направления исследований.
Исследование финансировалось Программой исследований генома растений Национального научного фонда (NSF). В работе приняли участие 46 авторов из лабораторий Университета штата Айова и других учреждений, включая MaizeGDB (геномную базу данных USDA), Университет Джорджии, Cold Spring Harbor Laboratory и Университет Миннесоты.