Публичные банки семян ускоряют исследования качества кукурузы

Селекционеры кукурузы из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне знают, что прибыльность зависит не только от урожайности. Изменяя состав зерна, они могут адаптировать кукурузу для высокодоходных биотехнологических применений, промышленных продуктов, зарубежных рынков и многого другого. Но для эффективного выявления этих ценных признаков сначала необходимо понять их генетическую основу.

Традиционная селекция кукурузы обычно занимает годы и требует гектаров повторных полевых испытаний, не говоря уже о федеральном финансировании. Однако использование публичных генбанков и общих данных вместе с современными вычислительными инструментами может значительно ускорить этот процесс.

Изучение генетического разнообразия в банках семян

Селекционер кукурузы Мартин Бон, профессор кафедры растениеводства, возглавил проект по изучению состава зерна почти у 1000 различных инбредных линий кукурузы из Северной центральной региональной станции интродукции растений USDA-ARS в Эймсе, Айова.

Исследование "Mean and variance heterogeneity loci impact kernel compositional traits in maize" опубликовано в The Plant Genome.

Эта коллекция является частью национальной системы банков семян — включая две крупные коллекции в Иллинойсе — и представляет тысячи высококачественных генотипов культур, свободно доступных для исследователей.

Инновационные методы генетического анализа

Используя спектроскопию ближнего инфракрасного диапазона и общедоступные геномные данные, команда, в которую входил студент-исследователь Стивен Грей, определила генетические области, влияющие как на средние значения, так и на изменчивость ключевых признаков состава зерна.

"Банки семян содержат невероятное генетическое разнообразие, но они часто недостаточно используются для количественной генетики и селекции", — сказал Бон. "Наши результаты показывают, что эти ресурсы можно эффективно использовать для получения значимых генетических данных еще до запуска крупных многолетних полевых экспериментов".

Поскольку образцы из банков семян обычно доступны лишь в небольших количествах (часто пакеты по 100 семян одного генотипа), исследование опиралось на неповторенные образцы семян, что традиционно считается серьезным ограничением.

Чтобы решить эту проблему, исследователи проверили свои выводы, сравнив результаты с крупными повторными полевыми исследованиями других научных групп. Сильное совпадение подтвердило, что неповторенные данные фиксируют реальные генетические сигналы.

Подтверждение результатов и перспективы

"Мы сравнили наши оценки с огромным повторным полевым экспериментом коллег из Миннесоты, который пересекался с 200–300 линиями из коллекции NCRPIS", — сказал Бон. "Мы обнаружили, что корреляция между их данными по зерну и нашими была довольно высокой, что дало нам уверенность в значимости и надежности наших данных".

Команда применила полногеномный поиск ассоциаций, дисперсионный генетический анализ и модели геномного предсказания, чтобы выявить как известные, так и ранее не описанные геномные области, связанные с признаками состава зерна.

"Многие из обнаруженных нами сигналов находились в регионах, где гены для интересующих нас признаков — белок, крахмал, масло и некоторые другие — уже были идентифицированы, что подтвердило правильность нашего анализа", — отметил Бон. "Но мы также нашли новые. Это здорово, потому что это новые гены-кандидаты для дальнейшего изучения".

Докторант Кристофер Муджаби, соавтор исследования, заявил, что работа демонстрирует сдвиг в подходе к началу селекционных исследований.

"Вместо того чтобы начинать с многолетних повторных полевых испытаний, исследователи могут сначала изучить то, что уже хранится в генбанках", — сказал он. "Это помогает расставить приоритеты для наиболее перспективного материала и делает селекционные программы более эффективными".

Результаты показывают, как публичные коллекции зародышевой плазмы, высокопроизводительный фенотипинг и общие данные могут быть объединены для ускорения улучшения сельскохозяйственных культур, особенно для признаков, связанных с питанием, качеством переработки и развивающимися специализированными рынками.

Бон добавил: "Мы разработали подход, который позволяет исследователям использовать генетические сокровища, хранящиеся в наших генбанках. Не всегда нужно начинать со сложного эксперимента. Можно получить представление о том, что есть в коллекции, углубиться в действительно интересные материалы, а затем использовать их для дальнейших исследований".