Международная исследовательская группа секвенировала полный геном декоративной разновидности мискантуса, дикорастущей многолетней травы, которая становится главным кандидатом на выращивание устойчивых биоэнергетических культур.
Проект генома, возглавляемый учеными из Центра передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI), научно-исследовательского центра биоэнергетики Министерства энергетики (DOE), представляет собой дорожную карту для исследователей, изучающих новые возможности для максимизации продуктивности растений. и расшифровать генетическую основу желаемых черт.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, проводилось под руководством исследователей CABBI Даниэля Рохсара, профессора кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета (UC), Беркли; и Канкшита Сваминатан, научный сотрудник Института биотехнологии Хадсон-Альфа, Хантсвилл, Алабама.(на фото). Команду, в которую входило более 40 сотрудников, возглавляли Тереза Митрос, Адам Сешн и Гухонг Альберт Ву из лаборатории Рохсара; и Брэндон Джеймс из лаборатории Сваминатана. Митрос и Джеймс являются исследователями CABBI, а Сессия и Ву связаны с Объединенным институтом генома Министерства энергетики США (JGI), пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab).
Травы мискантуса, также используемые в садах, производстве бумаги и кровельных работах, являются многообещающим источником биомассы, возобновляемой альтернативой ископаемому топливу на основе нефти. Они принадлежат к семейству злаков Andropogoneae, в которое входят кукуруза, сорго и сахарный тростник - высокопродуктивные и всемирно важные растения, выращиваемые в качестве источника пищи, кормов и биотоплива.
Мискантус очень легко приспосабливается и легко растет. Он может расти на маргинальных землях, требует лишь ограниченного количества удобрений, обладает высокой устойчивостью к засухе и низким температурам и использует более эффективную форму фотосинтеза С4..
Проведенный командой CABBI анализ последовательности и генома Miscanthus sinensis - первый для любого типа мискантуса - обеспечивает основу для систематических улучшений для оптимизации этих желаемых признаков. В рамках проекта также был составлен атлас генов, которые включаются и выключаются в разных частях растения в течение его сезонного жизненного цикла, что позволило выявить новые регуляторы многолетия, что является желательным признаком для биотоплива и других культур.
«Геномный инструментарий, который мы собрали для мискантуса, станет ценным ресурсом для исследователей, изучающих это растение и размножающих его для улучшения биомассы и других признаков», - сказал Сваминатан. «Сравнивая мискантус с сорго, сахарным тростником и другими родственными травами, исследователи из CABBI и без надежды расшифровать генетическую основу инноваций, связанных с продуктивностью и адаптивностью».
Исследование основывалось на обширных полевых коллекциях за несколько вегетационных сезонов в Университете Иллинойса, которые охватили полный жизненный цикл растения. Под руководством Сваминатана ученые измерили экспрессию генов в листьях, стеблях и корневище (подземная часть стебля). Каталог генов, предпочитаемых тканями, даст подсказки о том, как генетически модифицировать растение для улучшения определенных процессов, сказал Митрос, который руководил вычислительной работой по сборке генома, аннотации и анализу последовательности.
Исследование также выявило группу генов, участвующих в жизненно важном цикле ремобилизации питательных веществ. Осенью, когда листья растения отмирают, азот и другие питательные вещества направляются в корневище, где они хранятся под землей в течение зимы; весной эта энергия поглощается другими тканями по мере роста растения, а не возвращается в почву, что снижает потребность в удобрениях. Корневища также дают новые стебли, что позволяет растению расти с каждым годом и помогает накапливать углерод. Все это делает мискантус более устойчивым - менее затратным в уходе и более экологичным.
Многие М.sinensis используются как декоративные травы и растут как из корневища, так и из семян. Трава с биоэнергетическим потенциалом типа Miscanthus x giganteus "Illinois" не дает жизнеспособных семян, и поэтому ее труднее размножать. Исследователи CABBI, такие как Эрик Сакс, адъюнкт-профессор Департамента растениеводства в Иллинойсе, работают над новыми гибридами, скрещивая M. sinensis и M. sacchariflorus, чтобы создать несколько сортов гигантских, которые были бы более адаптируемыми к различным регионам и давали бы семена.
Генетическая последовательность является платформой для понимания различий во всех видах разновидностей мискантуса, сказал Рохсар. Гибриды мискантуса естественным образом эволюционировали в Азии, и Сакс и другие селекционеры надеются объединить лучшее из популяций, чтобы создать сорта, наиболее подходящие для определенных мест.
На фундаментальном уровне исследование поможет ученым найти ответы на основные вопросы биологии растений, такие как цепи, участвующие в круговороте питательных веществ в корневище, как он работает в зависимости от сезона и как он развивался. И это даст им больше информации о правилах скрещивания и комбинирования мискантуса, чтобы они могли получить оптимальные гибриды, сказал Рохсар..
«Типы данных, представленные в этом исследовании, также имеют решающее значение для развертывания таких методов, как редактирование генов, чтобы помочь расшифровать функцию генов, которые контролируют черты и адаптации, важные для успеха этой высокоурожайной травы», Сваминатан. сказал.
Например, данные об экспрессии генов указывают на набор генов, которые могут быть вовлечены в способность мискантуса накапливать энергию в модифицированном подземном стебле (корневище) в течение зимы и восстанавливаться каждый год больше, чем раньше. Сваминатан заинтригован тем, что заставляет стебель стать запасающим органом у трав Andropogoneae; она хочет понять молекулярные механизмы, которые заставляют корневище мискантуса накапливать сложные углеводы, в то время как стебли сахарного тростника и сладкого сорго хранят сахар.
Мискантус и другие растения имеют сложные геномы, с историей большего количества геномных дупликаций, чем у животных. Наличие нескольких копий хромосом позволяет выращивать более крупные растения и большее генетическое разнообразие, обеспечивая при этом больше целей для генных инженеров. Но это также усложнило секвенирование и сборку, сказал Рохсар. «Для этого мы использовали множество различных технологий».
Анализ группы определил, что мискантус является «палеоаллотетраплоидом», что означает, что он возник в результате древней гибридизации двух предковых видов, а не в результате удвоения внутри одного вида, как это произошло с сахарным тростником. Два предка мискантуса давно вымерли - вымерли после гибридизации около 2 миллионов лет назад - но их хромосомы сохранились в мискантусе. Сессия использовала вычислительный анализ, чтобы выяснить древнее происхождение каждой хромосомы и идентифицировать сегменты, в которых хромосомы поменялись местами. Он также выявил тонкие различия в том, как два набора хромосом развились после дупликации, что является жизненно важной информацией для генных инженеров, которые хотят выбить определенные гены, сказал Митрос.
Доклад является кульминацией многолетних междисциплинарных усилий по секвенированию генома мискантуса с участием десятков исследователей из США, Европы и Азии. Он основан на работе таких ученых, как Сакс, который собрал зародышевую плазму тысяч линий мискантуса в Японии, Корее и других странах.
Среди других инструментальных исследователей были профессора Стивен Муз и Мэтью Хадсон, ученые из Университета Иллинойса, которые участвовали в проекте генома, когда проект находился под эгидой Института энергетических биологических наук, инициативы, финансируемой BP в Иллинойсе, Калифорнийский университет. Беркли и лаборатория Беркли. Профессор Стивен Лонг, еще один ученый из Университета I в области сельскохозяйственных культур, был одним из первых, кто предложил мискантус в качестве основы для новой экономики биотоплива в составе научной группы Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук. Мус возглавил группу EBI по производству сырья и стал пионером в области геномики, создав карты хромосом M.sinensis и ранние наборы данных экспрессии генов для нескольких линий Miscanthus. JGI провела большую часть секвенирования генома под руководством Рохсара, который также участвовал в первоначальном проекте EBI и имеет давний интерес к сложным геномам растений и животных.
Сваминатан был ученым в команде Муса во время проекта EBI. Команда, в которую входили Рохсар и Митрос, начала с попытки расшифровать геном M. x giganteus Illinois, но «это была несостоявшаяся головоломка», - сказала она. Исследователи поняли, что M. x giganteus слишком сложна, и обратились к двойной гаплоидной линии M. sinensis, созданной Катажиной Гловацкой, в то время аспиранткой в Польше, а ныне преподавателем Университета Небраски. Используя наилучшие доступные на тот момент данные, они собрали фрагмент фрагментированного генома. Сваминатан присоединилась к HudsonAlpha в 2016 году, взяв с собой морозильник, полный образцов, и Джеймс и его коллега-постдок Мохаммад Белаффиф начали обрабатывать образцы и анализировать данные.
CABBI была создана в 2017 году и взялась за проект генома. Митрос провел геномный анализ. Команда Сваминатана сосредоточилась на экспрессии генов, а Сакс предоставил данные из своих коллекций разнообразия. Исследователи в Европе поделились данными о генотипах и информацией о геноме M. sacchariflorus, и проект разросся.
«Потребовались эти согласованные усилия, когда кто-то в центре собирал все данные вместе, чтобы понять их смысл», - сказал Сваминатан. «Этого бы просто не произошло без CABBI».