Ресурс мутантов риса с полногеномным секвенированием для изучения сырья для биотоплива

Рис — основная пища для более чем половины населения мира и модель для изучения трав-кандидатов на производство биотоплива, таких как сорго, просо прутьевидное и мискантус. Для оптимизации сельскохозяйственных культур под производство биотоплива ученые стремятся идентифицировать гены, контролирующие ключевые признаки, такие как урожайность, устойчивость к болезням и эффективность использования воды.

Популяции мутантных растений, каждое из которых имеет один или несколько измененных генов, являются важным инструментом для выяснения функции генов. При полногеномном секвенировании на уровне одного нуклеотида исследователи могут определить функции генов, наблюдая за приобретением или потерей определенных признаков. Однако полезность существующих коллекций мутантов риса была ограничена несколькими факторами, включая относительно длинный шестимесячный жизненный цикл сортов и отсутствие информации о последовательности для большинства мутантных линий.

В статье, опубликованной в The Plant Cell, группа под руководством Памелы Рональд, профессора в Genome Center и на кафедре фитопатологии Калифорнийского университета в Дэвисе и директора по генетике трав в Объединенном институте биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США (DOE), с коллегами из UC Davis и Объединенного института генома DOE (JGI) сообщила о первой полногеномно секвенированной популяции мутантов риса сорта Китааке, индуцированных быстрыми нейтронами. Китааке — модельный сорт риса с коротким жизненным циклом.

Китааке (Oryza sativa L. ssp. japonica) завершает свой жизненный цикл всего за девять недель и не чувствителен к изменениям фотопериода. Эта новая коллекция ускорит функциональные генетические исследования риса и других однодольных — типа цветковых растений, включающего злаки.

«Некоторые из самых популярных сортов риса, которые используют сейчас, дают только два поколения в год. Китааке дает до четырех, что действительно ускоряет работу по функциональной геномике», — сказал Готянь Ли, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и заместитель директора по генетике трав в JBEI.

В ранее опубликованном пилотном исследовании Ли, Маушенг Черн и Рашми Джайн, соавторы статьи в The Plant Cell, показали, что облучение быстрыми нейтронами производит обильные и разнообразные мутации в Китааке, включая замены отдельных оснований, делеции, инсерции, инверсии, транслокации и дупликации. Другие техники, использовавшиеся для генерации популяций мутантов риса, такие как вставка сегментов генов и хромосом и использование инструментов редактирования генов вроде CRISPR-Cas9, обычно производят один тип мутации, отметил Ли.

«Облучение быстрыми нейтронами вызывает разные типы мутаций и дает разные аллели генов, так что мы действительно можем получить то, что недостижимо в других коллекциях», — сказал он.

Полногеномное секвенирование этой популяции мутантов — всего 1504 линии с 45-кратным покрытием — позволило исследователям точно определить каждую мутацию с разрешением в один нуклеотид. Они идентифицировали 91 513 мутаций, затрагивающих 32 307 генов, что составляет 58% всех генов в рисовом геноме размером примерно 389 мегабаз. Высокая доля из них были мутациями потери функции.

Используя эту коллекцию мутантов, группа по генетике трав идентифицировала инверсию, затрагивающую один ген, как причинную мутацию для фенотипа короткого зерна в одной мутантной линии, используя популяцию всего из 50 растений. Для сравнения, исследователям потребовалось более 16 000 растений, чтобы идентифицировать тот же ген с использованием традиционного подхода.

«Это сравнение ясно демонстрирует силу секвенированной популяции мутантов для быстрого генетического анализа», — сказала Рональд.

Этот высокоплотный, высокоразрешающий каталог мутаций предоставляет исследователям возможности для открытия новых генов и функциональных элементов, контролирующих различные биологические пути. Для обеспечения открытого доступа к этому ресурсу группа по генетике трав создала веб-портал под названием KitBase, который позволяет пользователям находить информацию, связанную с коллекцией мутантов, включая данные о последовательности, мутациях и фенотипах для каждой линии риса.