Создан пангеном нута: крупнейший проект секвенирования генома растения
Международная команда из 41 организации собрала пангеном нута, секвенировав геномы 3366 линий этой культуры из 60 стран. Под руководством Международного института исследований сельскохозяйственных культур для полузасушливых тропиков (ICRISAT) ученые идентифицировали 29 870 генов, включая 1582 ранее неизвестных. Это крупнейший проект такого рода для любого растения, что ставит нут в один ряд с немногими культурами, имеющими столь подробную геномную карту.
«С помощью полного секвенирования генома мы подтвердили происхождение нута в Плодородном полумесяце и определили два пути его распространения в мире. Один путь вел в Южную Азию и Восточную Африку, а другой — в Средиземноморье (вероятно, через Турцию), а также к Черному морю и в Центральную Азию (вплоть до Афганистана)», — сказал профессор Раджив Варшни, руководитель исследования, опубликованного 10 ноября в журнале Nature.
Он добавил, что «что еще важнее, это исследование дает полную картину генетической вариативности внутри нута и проверенный план по использованию этих знаний и геномных ресурсов для улучшения культуры».
Нут, выращиваемый в более чем 50 странах, является третьей по распространенности бобовой культурой в мире. Это незаменимый продукт питания и важный источник диетического белка, особенно в странах Глобального Юга. ICRISAT возглавил работу по секвенированию первого генома нута (линия кабули) в 2013 году, что заложило основу для создания молекулярных ресурсов для улучшения культуры.
Более масштабный проект по секвенированию большего числа линий начался вскоре после этого, когда стала очевидной необходимость полного понимания генетической вариативности на уровне вида, включая местные сорта и дикие типы. В новом исследовании авторы сообщают о секвенировании 3171 культурного и 195 диких образцов нута, хранящихся в различных генбанках. Эти 3366 образцов репрезентативно отражают генетическое разнообразие нута в гораздо более крупной мировой коллекции.
Культурный вид нута носит научное название Cicer arietinum. Исследование указывает, что он отделился от своего дикого предка, Cicer reticulatum, примерно 12 600 лет назад. История нута связана с сильным генетическим «бутылочным горлышком», начавшимся около 10 000 лет назад. Размер популяции достиг минимума около 1000 лет назад, после чего последовал резкий рост за последние 400 лет, что указывает на возрождение интереса к выращиванию нута во всем мире. Подход, использованный для анализа расхождения восьми видов Cicer во времени, также может помочь выявить ошибки в классификации или дублирование образцов для лучшего управления коллекциями в генбанках.
«Спрос на нут будет расти в ближайшие годы из-за увеличения населения мира. Такие исследования, как это, крайне необходимы, чтобы помочь крупным странам-производителям, таким как Индия, увеличить производство, одновременно повышая устойчивость культур к изменению климата», — сказал доктор Трилочан Мохапатра, соавтор исследования.
Практическое применение пангенома
Сравнение генетической вариативности культурного нута с его диким предком помогло исследователям идентифицировать вредные гены, снижающие урожайность. Эти вредные гены были более распространены у дикого предка, так как в культурных линиях они были частично устранены в процессе селекции и рекомбинации. Ученые утверждают, что эти гены можно дальше устранять в сортах с помощью геномной селекции или редактирования генов.
Кроме того, в исследовании были идентифицированы блоки генов в местных сортах, которые могут значительно улучшить характеристики культуры, такие как урожайность, устойчивость к климату и свойства семян. Эти блоки генов, называемые гаплотипами, — именно то, что стремятся внедрить в сорта селекционеры. Используя исторические данные обо всех сортах нута, выпущенных в период с 1948 по 2012 год, исследование проливает свет на использование этих гаплотипов.
«Мы изучили 129 сортов, выпущенных в прошлом. Хотя некоторые превосходные гаплотипы были обнаружены в некоторых из них, мы выяснили, что большинству сортов не хватает многих полезных гаплотипов. Мы определили 56 перспективных линий, которые могут быть использованы в селекционных программах для создания улучшенных сортов», — пояснил соавтор исследования доктор Маниш Руоркивал.
ICRISAT и другие организации уже используют подходы геномной селекции, нацеленные на один или максимум два гена. Тем не менее, эти усилия привели к созданию семи улучшенных сортов нута в Индии и Эфиопии за последние три года.
«Геномные ресурсы crucial для ускорения темпов генетического прогресса в программах улучшения культур. Надеемся, что знания и ресурсы, представленные в этом исследовании, помогут селекционерам по всему миру революционизировать селекцию нута, не подрывая его генетического разнообразия», — сказал доктор Арвинд Кумар.
Чтобы внедрить результаты исследования в практику, авторы предложили три селекционных подхода на основе геномного прогнозирования, направленных на улучшение 16 признаков и повышение продуктивности нута. Они продемонстрировали работоспособность подходов, применив их для увеличения массы 100 семян — ключевого признака урожайности — и спрогнозировав увеличение в диапазоне от 12% до 23%.