Модельная система для многолетних злаков

Исследователи создали геномную модель для изучения засухоустойчивости многолетних злаков на примере Panicum hallii (паникума Холла). Были получены два полных генома разновидностей этого вида, которые разошлись более миллиона лет назад. Разновидность hallii процветает в пустынных условиях, в то время как менее засухоустойчивая разновидность filipes встречается в речных и прибрежных зонах.

Многолетний злак свитчграсс (Panicum virgatum) является перспективной культурой для производства биотоплива, но обладает сложным геномом с множественными копиями хромосом. Свитчграсс имеет глубокую корневую систему, позволяющую получать питательные вещества из разных типов почв, и высокую устойчивость к экстремальным водным условиям, таким как засуха и наводнения. Министерство энергетики США (DOE) поддерживает программы по разработке методов преобразования растительной биомассы в устойчивое топливо для автомобилей и самолетов. Изучая близкородственный модельный вид P. hallii, исследователи могут разрабатывать методы улучшения сельскохозяйственных культур, применимые к свитчграссу.

Рост глобальных температур вызывает экстремальные погодные явления, от продолжительных засух до сильных ливней и наводнений. В условиях растущего населения планеты засуха является препятствием для повышения урожайности культур для производства пищи и топлива.

В журнале Nature Communications команда под руководством Тома Джуэнгера из Техасского университета в Остине, включая исследователей из Объединенного института генома DOE (JGI), сообщает о результатах почти десятилетней работы по созданию геномных ресурсов для изучения засухоустойчивости многолетних злаков. Цель команды — применить ресурсы, разработанные для P. hallii, для повышения устойчивости к стрессам у его более сложного родственника, свитчграсса.

В рамках Научной программы сообщества JGI институт отсеквенировал и собрал почти полные геномы P. hallii var. hallii (полнота 99.2%) и P. hallii var. filipes (полнота 94.8%), а также провел ресеквенирование множества природных образцов из всего ареала вида. Эти высококачественные референсные геномы P. hallii позволяют идентифицировать и характеризовать регуляторные элементы, влияющие на адаптацию и устойчивость к стрессорам, таким как засуха. Эта информация может быть использована для повышения урожайности других злаков.

Команда провела несколько масштабных полевых экспериментов и анализов для поиска взаимосвязей между генетическими вариациями и реакцией растений на стресс. Например, потомство от скрещивания разновидностей hallii (HAL2) и filipes (FIL2) подвергали месячной засухе, после чего половину растений поливали перед сбором урожая. Поскольку HAL2 адаптирована к сильным летним засухам, эти растения могли лучше поглощать почвенную влагу по сравнению с другими. Команда использовала QTL-картирование для поиска геномных регионов, контролирующих экспрессию генов и физиологические реакции на засуху. Было обнаружено, что trans-регулирующие факторы являются важными регуляторными элементами, определяющими реакции на засуху у P. hallii.

Геномы HAL2 и FIL2 доступны на портале JGI по растениям Phytozome.