Сохранение биоразнообразия растений является задачей примерно 1 750 банков генов, разбросанных по всему миру. На данный момент они хранят образцы растений, а иногда и дополнительную фенотипическую или генетическую информацию, в общей сложности около 7,4 миллионов образцов видов растений. Ожидается, что благодаря облегченному доступу к усовершенствованным, более быстрым и дешевым технологиям секвенирования и другим технологиям омикс количество хорошо охарактеризованных образцов и объем подробной информации, которую необходимо хранить вместе с биологическим материалом, будут быстро и непрерывно расти. Группа ученых из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK) в Гатерслебене заглянула в будущее, изучив предстоящие проблемы и возможности будущих генных банков, опубликовав перспективную статью в журнале Nature Genetics.
В начале-середине двадцатого века становилось все более очевидным, что стародавние сорта сельскохозяйственных культур постепенно заменяются современными сортами сельскохозяйственных культур и находятся под угрозой исчезновения. Чтобы предотвратить потерю генетического разнообразия и биоразнообразия, были созданы первые генные банки с миссией сохранения этих генетических ресурсов растений. В настоящее время генные банки функционируют как биохранилища и средства защиты биоразнообразия растений, но, что наиболее важно, как библиотеки, которые превращают генетическую информацию о растениях и растительный материал в свободно доступный, но, тем не менее, ценный ресурс. Таким образом, ученые, селекционеры или любой другой человек со всего мира может запрашивать и использовать данные, хранящиеся в более чем 1750 банках генов по всему миру, для исследований или селекции растений.
Банк генов Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK) в Гатерслебене в настоящее время содержит одну из самых полных в мире коллекций сельскохозяйственных растений и их диких сородичей, объединяющую в общей сложности 151 002 образца из 2, 933 вида и 776 родов. Большинство образцов зародышевой плазмы растений хранятся в виде сухих семян при -18°C, в то время как образцы, которые размножаются вегетативно, постоянно культивируются в поле (ex situ) или сохраняются в жидком азоте при -196°C. Онлайн-портал генного банка IPK позволяет пользователям просматривать и просеивать сохраненные образцы растений и соответствующие им «паспортные данные», а также запрашивать растительный материал в некоммерческом масштабе. В новом перспективном документе, подготовленном доктором Мартином Машером и его коллегами из IPK, рассматриваются текущие и будущие проблемы для генных банков, а также возможности для их дальнейшего развития.
Ученые определили три основные проблемы для генных банков, которые требуют внимания. Два из них вызваны основными требованиями управления десятками тысяч партий семян, а именно отслеживанием идентичности образцов и необходимостью избегать ненужных дубликатов внутри и между генными банками. Третья проблема заключается в поддержании генетической целостности образцов из-за неотъемлемых недостатков использования сохранения ex situ, таких как дифференциальная выживаемость, дрейф и генетическая эрозия при хранении и регенерации..
Однако авторы предполагают, что более сильный геномный подход к банкам генов может помочь в решении этих проблем. Например, традиционно «паспортные данные» материала генного банка описывают таксономию и происхождение образцов. При добавлении однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в качестве определяющих характеристик образца эта генотипическая информация может служить данными молекулярного паспорта для дополнения и исправления традиционных паспортных записей, а также для очистки и предотвращения дубликатов и повышения качества и целостности. коллекций.
Осуществляя переход к биоинформатике и анализу больших данных в науках о растениях, традиционные генные банки, которые сосредоточены на сохранении коллекций зародышевой плазмы, смогут трансформироваться в биоцифровые ресурсные центры, которые сочетают в себе хранение и валоризацию растительных материалов с их геномными и молекулярными характеристиками.
Текущие сценарии финансирования генных банков еще не позволяют систематически генерировать молекулярные паспортные данные для каждого представленного образца растения в генных банках. Однако первые шаги в направлении высокопроизводительного генотипирования целых коллекций уже сделаны. Ранее это было продемонстрировано международным исследовательским консорциумом под руководством IPK, который охарактеризовал мировую коллекцию из более чем 22 000 сортов ячменя на молекулярном уровне посредством генотипирования путем секвенирования. Некоторые из авторов перспективного документа также участвовали в этом тематическом исследовании и в результате внесли свой вклад в создание информационного веб-портала BRIDGE. МОСТ, сокращение от «Информатика биоразнообразия для преодоления разрыва между информацией о геноме и образованным использованием генетического разнообразия, хранящегося в банках генов», представляет собой хранилище данных для полученной информации о геноме ячменя, которая связана с фенотипической информацией, собранной в IPK, размещенной в Федеральном Ex situ. Банк генов сельскохозяйственных и садовых культур.
В то время как BRIDGE уже прокладывает путь к превращению Генного банка Гатерслебенера в «универсальный магазин для упрощенного и информированного использования биоразнообразия сельскохозяйственных культур», международное сотрудничество, такое как организация DivSeek, создает международную основу для позволяя генным банкам, селекционерам и исследователям во всем мире более эффективно обрабатывать и мобилизовывать генетическое разнообразие растений, тем самым начиная преодолевать разрыв между биоинформатиками, генетиками и кураторами генных банков. Следовательно, всемирная сеть биоцифровых ресурсных центров, свободно обменивающихся данными и, таким образом, способствующих развитию исследований в области науки о растениях и селекции растений, может стать реальностью в ближайшем будущем.