Пангеном овса открывает ключи к созданию лучших сортов

Овёс переживает свой момент. Как высокопитательная зерновая культура с доказанной пользой для здоровья, неудивительно, что продукты на его основе стали популярной альтернативой молочным и пшеничным продуктам. Он содержит соединения, помогающие снизить уровень холестерина и риск метаболических заболеваний, и реже вызывает аллергию. Улучшенная селекция может сделать будущие сорта ещё более питательными, урожайными и устойчивыми.

Однако селекционеры овса годами не могли понять, почему прогресс в повышении урожайности и качества идёт медленнее, чем у других основных культур. Оказалось, что исключительно большой и сложный геном овса был главным фактором, ограничивающим этот прогресс.

Профессора BYU Рик Джеллен и Джефф Моган вместе с международным консорциумом исследователей сделали крупный шаг к разгадке этой сложности. Их новая работа, опубликованная в Nature и Nature Communications, знаменует новую эру для генетики и селекции овса. Исследования описывают полный спектр генетического разнообразия на широкой панели сортов овса, показывая, как экспрессируются конкретные гены, как они влияют на ключевые признаки и как хромосомные перестройки влияют на наследственность и адаптацию.

"Секвенирование первого генома овса [в 2022 году] дало нам книгу, — сказал Моган, специализирующийся на секвенировании генов. — Секвенирование множества геномов овса позволило нам увидеть, как история меняется от одного сорта к другому".

Для исследования в Nature учёные создали пангеном — всеобъемлющую карту генетического разнообразия современного овса. Эта референсная панель включает 33 диких и культурных линий овса и идентифицирует гены, общие для всех сортов, а также уникальные для отдельных типов. Пангеном важен, поскольку раскрывает полный спектр генов, присутствующих в разных сортах.

"Изучая только один сорт, мы упускаем большую часть генетического разнообразия, которое может быть ценным для улучшения овса в будущем", — отметил Моган.

На основе пангенома команда также создала панскриптом — атлас экспрессии генов, показывающий, какие гены активны в разных тканях растения (листьях, корнях, семенах) на различных стадиях развития.

Используя Центр секвенирования ДНК BYU, исследователи изучили активность генов в шести типах тканей и на стадиях развития у 23 линий овса. Они также исследовали крупномасштабные структурные вариации в геноме овса, включая хромосомные инверсии (перевёрнутые сегменты) и транслокации (сегменты, перемещённые в новые локации).

"Геном овса относительно динамичен с точки зрения того, как хромосомы разрываются и перестраиваются, — сказал Джеллен, эксперт по хромосомной структуре и наследственности. — Мы подтвердили, что эти хромосомные перестройки частично ответственны за отсутствие прогресса в селекции овса".

В сопутствующей статье в Nature Communications международная команда проанализировала около 9000 образцов овса со всего мира, чтобы изучить популяционную структуру и геномные регионы, связанные с локальной адаптацией. Примечательно, что некоторые из тех же хромосомных перестроек, выявленных в исследовании для Nature, также были связаны с адаптацией к окружающей среде, что подтвердило их адаптивную и селекционную значимость.

Моган подчеркнул ключевую роль Центра секвенирования ДНК BYU и силу глобальной коллаборации в достижении этих результатов.

"Для меня самой захватывающей частью этого проекта было сотрудничество и возможность работать с ведущими мировыми генетиками сельскохозяйственных культур, — сказал Моган. — Это не просто эксперты по овсу — это одни из лучших специалистов в своих областях".

Благодаря новым генетическим референсным панелям, данным об экспрессии генов и детальным хромосомным картам, исследователи и селекционеры смогут точнее отбирать растения по желаемым признакам. Например, можно будет приоритезировать содержание бета-глюкана — соединения, полезного для здоровья сердца, — а также оптимизировать такие признаки, как высота растения, время цветения и засухоустойчивость, для улучшения адаптации и продуктивности в конкретных условиях.

"На мой взгляд, это одни из самых важных статей, когда-либо опубликованных об овсе, — заявил Джеллен. — Они проясняют ключевые вопросы об эволюции и доместикации овса и окажут большое влияние на будущее его селекции. У исследователей в области агрономии и генетики сельскохозяйственных культур теперь есть огромный ресурс для дальнейшей работы".