Учёные секвенировали геном хлопка
Хлопок — основной источник натурального волокна на Земле, но лишь 4 из 50 известных видов пригодны для производства текстиля. Компьютерные учёные из Университета ДеПола применили биоинформатический подход для реконструкции одного из наиболее полных геномов важного вида хлопка — африканского культивируемого Gossypium herbaceum сорта Вагад. Результаты дают учёным более полную картину одомашнивания дикого хлопка и могут помочь укрепить и защитить эту культуру для фермеров в США, Африке и других регионах.
Результаты опубликованы в журнале G3 Genes|Genomes|Genetics. Ведущий автор — Тиру Рамарадж, доцент компьютерных наук в Колледже вычислительной техники и цифровых медиа им. Джарвиса. Скачок в технологическом развитии за последнее десятилетие позволил Рамараджу проанализировать геном в своей чикагской лаборатории.
«Эта технология позволяет создавать высококачественные геномы с уровнем детализации, который раньше был невозможен», — говорит Рамарадж, специализирующийся на биоинформатике. Это открывает возможность для большего числа исследователей секвенировать многие культуры, важные для мировой экономики и продовольственной безопасности.
Работа ведётся в сотрудничестве с Джонатаном Венделом, профессором экологии, эволюции и биологии организмов в Университете штата Айова, и Джошуа Юдаллом, руководителем исследований в Отделе исследований зародышевой плазмы культур USDA. По словам Юдалла, хлопок Вагад — это диплоидный штамм, выращиваемый преимущественно в африканских странах. «Это может дать генетическую карту для улучшения их урожая хлопка».
Передовые вычислительные методы позволили получить геном
Работа началась с обработки данных последовательности ДНК. Геном Вагада реконструировали, собирая высококачественные длинные последовательности ДНК, полученные с помощью технологии секвенирования Pacific Biosciences. Затем карты целого генома от Bionano Genomics использовали для упорядочивания начальной сборки. Наконец, данные Hi-C-секвенирования от Phase Genomics применили для построения генома на уровне хромосом.
Рамарадж привлёк к работе Азалию Мендосу, магистранта в области компьютерных наук, также имеющую степень бакалавра в области экологии. «У Азалии были биологические знания, чтобы погрузиться в это исследование», — сказал Рамарадж.
Мендоса начала с изучения истории хлопка, чтобы понять «общую картину». Используя сравнительную геномику, она искала вариации по сравнению с ближайшим родственником и внешней группой. Мендоса также углубилась в аннотированные гены и отметила их функции. «Изучая регионы генома, мы обнаружили множество генов, связанных с содержанием волокна. Было невероятно видеть реальное применение работы».
Защита урожая в США и за их пределами
Влияние геномики хлопка на сельское хозяйство и экономику США очевидно для Юдалла, который сотрудничает с Рамараджем с 2015 года. Юдалл руководит отделом исследований зародышевой плазмы культур и изучает некоторые из 10 000 образцов различных видов, хранящихся в репозитории USDA. Их цель — поддержание генетической продовольственной безопасности страны, и часть этого — понимание устойчивости и слабостей культур со всего мира.
«Когда в США появляются новые болезни или вредители, одно из первых наших действий — скрининг генетического разнообразия хлопка на предмет устойчивости к ним у старых сортов», — говорит Юдалл. Это может дать фермерам возможность скрещивать эти гены и улучшать современные сорта хлопка, потенциально избегая катастрофических потерь.
Юдалл полагается на вычислительных биологов, таких как Рамарадж, для продвижения этой работы. Хотя стоимость секвенирования снизилась, это исследование заняло почти два года междисциплинарной работы. «Это хороший шаг в определении будущих геномов хлопка для секвенирования».
Рамарадж надеется, что проект вдохновит других сотрудников и студентов на биоинформатические проекты. Для Мендосы, ныне работающей аналитиком данных, опыт работы в биоинформатике вдохновляет её карьерные цели. «Мне нравится исследовательская работа, которая помогает мне расти на многих уровнях. Это та работа, которая будет влиять на человечество и устойчивое развитие в будущем».