Ученые из Медицинского института Говарда Хьюза разработали столь необходимый генетический ресурс, который значительно ускорит изучение функций генов пшеницы. Ресурс, коллекция семян пшеницы с более чем 10 миллионами секвенированных и тщательно каталогизированных генетических мутаций, находится в свободном доступе для селекционеров пшеницы и исследователей и уже помогает в разработке растений пшеницы с улучшенными характеристиками.
Хорхе Дубковский, исследователь из Медицинского института Говарда Хьюза и Фонда Гордона и Бетти Мур в Калифорнийском университете в Дэвисе, и его сотрудник Кристобаль Уауи, генетик сельскохозяйственных культур из Института Джона Иннеса в Соединенном Королевстве, руководили разработкой о новом генетическом инструменте, о котором сообщалось в Proceedings of the National Academy of Sciences за неделю от 16 января 2017 года. «Я думаю, что это действительно меняет правила игры для нашего сообщества», - говорит Дубковский.
Пшеница является жизненно важной культурой, обеспечивающей 20 процентов калорий, потребляемых людьми во всем мире. Чтобы обеспечить продовольственную безопасность, селекционеры пшеницы работают над созданием растений, которые обладают большей питательной ценностью, дают более высокие урожаи и могут процветать в меняющемся климате. Однако ключевая генетическая особенность затрудняет изучение растения и управление им. Как и многие растения, пшеница полиплоидна, то есть имеет несколько копий своего генома в каждой клетке: макаронные изделия имеют две копии каждого гена, а хлебная пшеница - три.
Чтобы изучить функцию отдельного гена, исследователи обычно мутируют или удаляют этот ген, чтобы выяснить, что происходит - подход, известный как обратная генетика. Но в полиплоидном организме, таком как пшеница, мутации в отдельных генах часто не имеют видимого эффекта, потому что дополнительные копии мутировавшего гена компенсируют потерю. Исследователи должны несколько раз скрещивать растения с мутациями в разных копиях гена, чтобы получить поколение растений, в которых функция гена утрачена. Копии генов также скрывают естественные вариации в геноме пшеницы, что может создать возможности для селективного размножения растений с полезными признаками.
Исследователи пшеницы знали, что обширная коллекция линий пшеницы с определенными генетическими мутациями изменит их методы работы. «У нас не было ресурсов для обратной генетики пшеницы, и нам было абсолютно необходимо изучить функцию генов», - говорит Дубковский. Но из-за сложности генома пшеницы разработка этого ресурса стала масштабным мероприятием.
Дубковский и его коллеги химически индуцировали случайные генетические мутации в тысячах семян пшеницы и начали разрабатывать и характеризовать свою коллекцию мутантных линий пшеницы более пяти лет назад. Чтобы сделать возможным анализ ДНК всех линий, исследователи разработали подход, позволяющий им сосредоточиться на небольшой части генома, кодирующей белки. Сосредоточившись на этой небольшой части генома каждого растения, команда секвенировала 400 миллиардов оснований ДНК, используя сложную технологию секвенирования, чтобы проанализировать растения, выросшие из мутировавших семян - всего 2735 мутантных линий. Семена каждой линии растений были увеличены и сохранены для распространения.
Полиплоидность пшеницы позволяет ей выдерживать множество мутаций без ущерба для роста, поэтому исследователи смогли вывести линии с высокой плотностью генетических мутаций - тысячи были обнаружены в каждом растении. Более 90 процентов генов растений нарушены десятью миллионами мутаций, занесенных в каталог коллекции, что делает ее мощным ресурсом для изучения функции почти любого гена пшеницы.