Биоразнообразие выходит за рамки видового разнообразия. Еще одним важным аспектом биоразнообразия является генетическая изменчивость внутри вида. Ярким примером является огромное разнообразие культурных и местных сортов сельскохозяйственных растений и их диких предков. Международный исследовательский консорциум под руководством Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK Gatersleben) и при поддержке исследовательского центра iDiv охарактеризовал на молекулярном уровне мировую коллекцию, включающую образцы семян из более чем 22, 000 сортов ячменя. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Genetics, ученые открывают новую эру для банков генов, которые превращаются из музеев прошлого разнообразия культур в центры биоцифровых ресурсов.
Генебанки хранят образцы сортов, местных сортов и диких родственников сельскохозяйственных растений со всего мира, чтобы сохранить наше сельскохозяйственное наследие и использовать его для будущего улучшения урожая. Немецкий федеральный банк генов ex situ в IPK в Гатерслебене содержит одну из самых полных в мире коллекций культурных растений, включающую 22 000 образцов семян ячменя. Под руководством IPK Gatersleben исследователи из Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия (iDiv), Института Юлиуса Кюна (JKI, Немецкий федеральный исследовательский центр культурных растений) в Кведлинбурге и Геттингенского университета сотрудничали с коллегами из Японии, Китая., и Швейцария. Это международное сотрудничество показало, насколько хорошо коллекция IPK представляет глобальное разнообразие ячменя. Одно растение было генотипировано для каждого из более чем 22 000 образцов семян, что позволило ученым идентифицировать повторяющиеся образцы в коллекции. Открывая новые пути для генетически обоснованного управления качеством, этот всеобъемлющий набор данных также помогает эффективно использовать коллекцию в исследованиях и разведении, точно определяя линии для дальнейшей всесторонней характеристики.
Профессор д-р Нильс Штайн (IPK Гатерслебен и Геттингенский университет) говорит: «Эта публикация позволяет нам полностью описать широкий спектр морфологического разнообразия всемирного банка генов с точки зрения молекулярной генетики». Для этого Штейн и его команда использовали метод, называемый «генотипирование путем секвенирования» (GBS). Полная последовательность ДНК сорта ячменя «Морекс», выпущенного в 2017 году, легла в основу настоящей работы. Он служит качественным якорем последовательности для информации GBS. Чтобы охарактеризовать генетическое разнообразие между культурными и дикими формами ячменя по всему геному, исследователи искали так называемые SNP (однонуклеотидные полиморфизмы). Всего они обнаружили более 171 000 таких небольших вариантов ДНК в огромном геноме ячменя, состоящем из 5 миллиардов пар оснований. Штейн добавляет: «Такой плотности достаточно, чтобы найти даже очень небольшие различия между образцами, а также уверенно отметить пары дублирующихся образцов в нашей коллекции».
Теперь мы можем сделать выводы о происхождении, ареале распространения и взаимоотношениях между популяциями ячменя, размещенными в нашей коллекции. Все цифровые генетические данные находятся в открытом доступе, и целевые запросы могут быть отправлены в режиме онлайн. База данных по искусству сочетает традиционные паспортные данные с новыми молекулярными данными для использования в исследованиях и разведении», - объясняет доктор Мартин Машер из IPK и iDiv, один из руководителей исследования. Сочетание исторических полевых данных генного банка с современным молекулярным анализом является впечатляющей демонстрацией возможностей, которые до сих пор скрыты в генных банках по всему миру. Новые методы исследований и международное сотрудничество проложили новые пути для сохранения и использования этого ценного генетического разнообразия. Профессор д-р Франк Ордон из Института Юлиуса Кюна (JKI) отмечает: «Подробные знания о генетической изменчивости и ее использовании являются необходимым условием для выведения новых сортов, адаптированных к меняющейся среде. В будущем селекционерам придется справляться с жарой, засухой стресса и новых патогенов, а также должны адаптироваться к изменениям, касающимся использования удобрений и пестицидов. Таким образом, гены, кодирующие ключевые свойства, могут быть обнаружены у местных видов или родственных диких видов быстрее и использованы в разведении».
В прошлом отсутствие генетических данных на уровне целых коллекций ограничивало практическое применение генетического разнообразия в селекции и исследованиях. Благодаря новому анализу и открытым данным исследований теперь можно будет осуществлять поиск по 22 626 образцам семян ячменя. Чтобы разместить этот уникальный ресурс, исследователи разработали «Хранилище данных» BRIDGE в качестве первых шагов на пути к биоцифровому ресурсному центру.