Большая часть исследований в области функциональной геномики растений на сегодняшний день опиралась на подходы, основанные на единичных эталонных геномах. Но сам по себе один эталонный геном не отражает всей генетической изменчивости вида. Пангеном, не повторяющееся объединение всех наборов генов, обнаруженных у особей вида, является ценным ресурсом для раскрытия природного разнообразия. Однако вычислительные ресурсы, необходимые для создания большого количества высококачественных сборок генома, были ограничивающим фактором в создании пангеномов растений.
Наличие пангеномов растений для сельскохозяйственных культур, важных для использования в качестве топлива и продуктов питания, позволит селекционерам использовать природное разнообразие для улучшения таких характеристик, как урожайность, устойчивость к болезням и устойчивость к маргинальным условиям выращивания. В статье, опубликованной 19 декабря 2017 года в Nature Communications, международная группа под руководством исследователей из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), исследовательского центра Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), измерили размер пангенома растений, используя Brachypodium distachyon, дикорастущую траву, широко используемую в качестве модели для зерновых культур и культур биомассы. Как один из флагманских геномов растений JGI, B. distachyon входит в число наиболее полных эталонных геномов растений.
«Существует огромное количество генов, которые не отражены в одном эталонном геноме», - добавил старший автор исследования Джон Фогель, глава группы функциональной геномики растений JGI. «Действительно, около половины генов в пангеноме находятся в различном количестве линий». Работая над основной целью точной оценки размера пангенома растений, Фогель и его коллеги выполнили сборку всего генома de novo и аннотацию 54 географически различных линий B.distachyon, что дает пангеном, содержащий почти в два раза больше генов, чем в любой отдельной линии.
«Геном вида представляет собой набор геномов, каждый из которых имеет свою уникальную особенность», - добавил биоинформатик JGI и первый автор исследования Шон Гордон. «Теперь, зная, что сосредоточение внимания на одном эталонном геноме приводит к неполным и предвзятым оценкам генетического разнообразия и игнорирует гены, потенциально важные для применения в селекции, нам лучше включить несколько эталонов в будущие исследования природного разнообразия».
Более того, гены, обнаруженные только в некоторых линиях, имеют тенденцию вносить вклад в биологические процессы (например, устойчивость к болезням, развитие), которые могут быть полезными в некоторых условиях окружающей среды, тогда как гены, обнаруженные в каждой линии, обычно лежат в основе основных клеточных процессов (например, гликолиз, транспорт железа).
"Это означает, что вариабельные гены предпочтительно сохраняются, если они полезны при определенных условиях. Это именно те типы генов, которые нужны селекционерам для улучшения урожая." - сказал Фогель.
Кроме того, гены, обнаруженные только в подмножестве линий, демонстрировали более высокие темпы эволюции, лежали ближе к мобильным элементам (считалось, что они играют ключевую роль в пангеномной эволюции) и с меньшей вероятностью обнаруживались в то же хромосомное расположение, что и функционально эквивалентные гены других злаков.
Сборки последовательностей, аннотации генов и сопутствующую информацию можно загрузить с веб-сайта проекта BrachyPan: brachypan.jgi.doe.gov. Геном Brachypodium distachyon доступен на портале растений JGI Phytozome: phytozome.jgi.doe.gov.