«Эти геномные сборки будут в значительной степени способствовать дальнейшим исследованиям этих сложных видов сорняков, в том числе лучшему пониманию способов, которыми они избегают повреждения гербицидами», – говорит Пэт Транел, профессор и доцент кафедры растениеводства в Университете Иллинойса и его коллеги. -автор исследования Genome Biology and Evolution.
Предварительные версии геномов водяной конопли и амаранта Палмера уже были опубликованы, но методы, использованные в исследовании «Биология и эволюция генома», дают гораздо более четкую и богатую картину последовательностей генов этого вида, что является необходимым условием для многих геномных исследований.
Все три генома были собраны с использованием расширенного секвенирования с долгим считыванием, которое поддерживает целостность и непрерывность генома, подобно тому, как большие кусочки головоломки дают более четкую картину целого, чем маленькие кусочки. В амаранте Палмера была использована дополнительная технология секвенирования (секвенирование с фиксацией конформации хроматина) для дальнейшего упорядочивания частей генома, которые были собраны с использованием долго считываемой информации.
"Цель любой сборки генома – выявить полное расположение генов в геноме, разбитое на фрагменты размером с хромосому. К сожалению, до недавнего времени сборка качественного генома была очень трудоемкой и дорогой.
В ранее опубликованных черновиках геномов этих видов сообщалось, что геном разбит на тысячи частей, в то время как сборки, о которых мы сообщаем, сократились до сотен. Подавляющая часть последовательности теперь собрана в очень большие фрагменты », – говорит Джейкоб Монтгомери, аспирант, работающий с Транель, и первый автор исследования.
Чтобы еще больше улучшить сборку геномов водяной конопли и гладкой свинины, команда использовала инновационный подход, известный как трио биннинг, разработанный для крупного рогатого скота. Мало того, что этот метод никогда ранее не применялся в полной мере на растениях, он также не использовался с родителями из разных видов.
При нормальном размножении родители мужского и женского пола вносят по одной копии каждого гена в свое потомство. В этом случае потомство диплоидно, то есть у него есть две копии каждого гена.
В ходе исследования команда создала гибридное потомство двух отдельных видов: водяной конопли и гладкой свинины. Эти потомки по-прежнему диплоидны, но метод трио биннинга позволил исследователям отделить и изолировать две копии от каждого родительского вида, в результате чего были получены гаплоидные (единственные копии) геномы для каждого вида.
"Этот подход решил проблему в предыдущей сборке генома водяной конопли.
Когда родительские аллели (копии каждого гена) сильно отличаются друг от друга, как это часто бывает в случае ауткроссинговых видов, таких как водяная конопля, программа сборки генома интерпретирует их как разные гены », – говорит Транель. «Имея только один аллель от каждого вида, мы смогли получить гораздо более чистую совокупность их генных последовательностей."
Детлеф Вайгель, директор Института биологии развития им. Макса Планка и соавтор исследования, добавляет: «Я большой поклонник новых передовых методов секвенирования, но даже если их теоретически должно быть достаточно, чтобы разобраться в расположении генов. , на практике они не.
Здесь может помочь генетика, использующая информацию о том, унаследованы ли гены от мамы или папы. Это позволило нам отнести каждый ген к материнской или отцовской хромосоме."
Исследователи специально выбрали водяную коноплю в качестве родителя-самца в гладкой свинине ? скрещивание водяной конопли, потому что ранее опубликованный геном водяной конопли был получен от женского растения. Tranel проводит исследования, чтобы понять генетическую основу мужского и женского пола у водяной конопли и амаранта Палмера, с потенциальными приложениями для внедрения женского бесплодия в качестве будущего метода контроля.
«Геномы самца водяного конопли и амаранта Палмера уже позволили моей группе добиться быстрого прогресса в идентификации потенциальных генов, которые могут быть ответственны за определение пола (самец или самка) у обоих видов», – говорит Транель.
Важно отметить, что геномы всех трех видов могут начать устранять проблему устойчивости этих сорняков к гербицидам. Все больше и больше ученых обнаруживают доказательства нецелевого участка или метаболической устойчивости у водяной конопли и амаранта Палмера, что позволяет сорнякам выводить токсины из гербицидов, прежде чем они смогут нанести ущерб.
К сожалению, обычно очень трудно определить, какой именно фермент из сотен отвечает за детоксикацию гербицида.
Теперь исследователи, по сути, смогут отсортировать список, чтобы найти виновника, в надежде либо вывести из строя ответственный фермент, либо изменить молекулу гербицида, чтобы избежать детоксикации.
«Инновации необходимы для будущего сельского хозяйства.
Мы в BASF постоянно работаем над улучшением наших продуктов и услуг, включая устойчивые решения для борьбы с устойчивыми к гербицидам сорняками. Мы хотим лучше понять механизмы биохимической устойчивости амаранта, чтобы предложить фермерам новые продукты и решения для оптимальной борьбы с основными сорняками », – говорит Йенс Лерхл, руководитель отдела ранних биологических исследований гербицидов в BASF и соавтор исследования. Лерхл координировал работу над геномом амаранта Палмера с KeyGene / Wageningen – Нидерланды.
"Секвенирование генома очень динамично. Вот почему BASF выбрала KeyGene в качестве партнера как в области новейших технологий секвенирования, так и в области биоинформатики. «Вместе с опытом Иллинойского университета и Общества Макса Планка мы смогли сравнить геномы и затронуть конкретные биологические темы», – говорит Лерхл.
Помимо сотрудничества в этом исследовании, BASF также является одним из основателей Международного консорциума по геномике сорняков, возглавляемого Государственным университетом Колорадо, целью которого является секвенирование и анализ десяти ключевых сорняков с высоким приоритетом.