Новый, гораздо более подробный эталонный геном кукурузы, или кукурузы, как ее называют в США, будет опубликован в журнале Nature. В своем учете последовательности букв ДНК в 10 хромосомах растения новая версия помогает нам понять, как никогда раньше, почему кукуруза, а не какое-то другое растение, сегодня является самой продуктивной и широко выращиваемой культурой в мире.
Среди многих других вещей новая последовательность показывает, что особи кукурузы гораздо, гораздо менее похожи на уровне генома, чем люди.
«Наш новый геном кукурузы показывает, насколько невероятно гибко это растение, характеристика, которая непосредственно следует из того, как организован его геном», - говорит Дорин Уэр, доктор философии, из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL). и Министерство сельского хозяйства США, которое руководило учеными из семи академических институтов и нескольких компаний, занимающихся технологиями генома, в этом проекте.
Эта гибкость не только помогает объяснить, почему кукуруза была настолько успешной с момента ее адаптации земледельцами тысячи лет назад, но также является хорошим предзнаменованием для ее способности расти в новых местах по мере изменения климата Земли и для повышения продуктивности растений. и экологическая устойчивость в США и за рубежом.
Геном кукурузы большой, но его размер на самом деле не является причиной того, что ученые называют «фенотипической пластичностью» растения, т.е.е., потенциальный диапазон его способности к адаптации. При попытке определить, какие возможности доступны растению при адаптации к новым или изменяющимся условиям, контекст, в котором гены активируются - или замолкают, в такой же степени, как и идентичность самих генов, определяет, каков будет общий набор генов. позволяет растению работать, объясняет Уэр.
Именно этот контекст генной активности - вариации в том, как гены растения регулируются у разных особей разных видов - выявляет новый геном. Собрав очень точный и очень подробный эталонный геном для важной линии кукурузы под названием B73, а затем сравнив его с картами генома особей кукурузы из двух других линий (W22 и Ki11), выращенных в разных климатических условиях, команда секвенаторов пришла к поразительному результату. реализация.
«Люди кукурузы гораздо, гораздо менее похожи на уровне генома, чем люди, с одной стороны», - говорит Уэр. Каждая из карт генома двух человек будет соответствовать эталонному человеческому геному примерно на 98% позиций генома. Люди практически идентичны с точки зрения генома. «Но мы обнаружили, что две особи кукурузы - из линий W22 и Ki11 - в среднем совпадают с нашим новым эталонным геномом кукурузы B73 только на 35%. Их организация генома невероятно отличается!»
Эта разница между особями кукурузы является отражением «не только изменений в последовательности самих генов, но и того, где и когда экспрессируются гены и на каком уровне», - объясняет Иньпин Цзяо, доктор философии, исследователь с докторской степенью в лаборатории Уэра и первый автор статьи, объявляющей о новом геноме.
Эти изменчивости в экспрессии генов можно рассмотреть с беспрецедентной точностью в новой эталонной последовательности генома. Первый эталонный геном кукурузы, завершенный в 2009 году, стал важной вехой, но из-за устаревшей технологии окончательный «текст» генома был больше похож на версию для скорочтения, чем на версию, подходящую для внимательного чтения, говорит Уэр.
Последовательность 2009 года, как правило, пропускала две вещи. Так называемая технология секвенирования первого поколения не могла решить большое количество повторяющихся последовательностей в геноме кукурузы и, как правило, пропускала значительное количество промежутков между генами. Поскольку так много крошечных кусочков нужно было сшить вместе, чтобы сформировать единое целое, было особенно сложно точно зафиксировать множество мест в кукурузе, где буквы ДНК образуют длинные повторяющиеся последовательности. Повторяющиеся последовательности особенно важны для кукурузы из-за особого пути эволюции ее генома на протяжении миллионов лет.
Новая последовательность использует то, что биологи называют секвенированием с длинным чтением, которое, как следует из названия, собирает полный геном из гораздо меньшего количества фрагментов - около 3000, а не более 100 000 более мелких фрагментов. взялся за создание эталонного генома 2009 года. Новая технология также намного дешевле; только что завершенная работа обошлась примерно в 150 000 долларов по сравнению с более чем 35 миллионами долларов у ее предшественника.
Технология длительного чтения, давая ученым подробное представление о пространстве между генами в кукурузе, проливает свет на то, как регулируются эти гены, поскольку регуляторные элементы часто физически расположены в областях непосредственно выше или ниже генов..
Помощь заводчикам
«Из-за его удивительной фенотипической пластичности, - заключает Уэр, - этому растению доступно гораздо больше комбинаций. Что это значит для селекции? гены растения. У них есть большая способность к адаптации помимо того, что мы видим сейчас. Это имеет огромное значение для выращивания кукурузы, поскольку население увеличивается, а климат претерпевает серьезные изменения в период, непосредственно предшествующий нам».
Разрешение нового генома промежутков между генами - «межгенных» областей - также позволяет читать подробные истории из «текстов» геномов разных особей кукурузы.«Мы хотим понять, как эволюционировал геном кукурузы, - говорит Уэр, - чтобы иметь возможность изучить геном человека и рассказать нам историю. Почему экспрессия данного гена меняется и при каких обстоятельствах?"
Возьмем, к примеру, влияние транспозонов - фрагментов ДНК, которые прыгают в геномах. Теперь это можно оценить с недоступной ранее специфичностью. Транспозоны, которые присутствуют во всех геномах, были впервые обнаружены и описаны в кукурузе в 1940-х годах лауреатом Нобелевской премии CSHL Барбарой МакКлинток.
Новый эталонный геном помогает ученым понять, как история и структура генома кукурузы были определены действием транспозонов в большей степени, чем у большинства растений. Когда они «прыгают» в положение внутри гена, ген может быть полностью скомпрометирован. В других случаях то, переместился ли транспозон в положение непосредственно перед или после гена, может определить, когда и в какой степени он экспрессируется.
Хотя феномен «прыгающих генов» известен уже несколько десятилетий, его воздействие на разных особей различных линий кукурузы дает именно ту информацию, которая может помочь объяснить эволюционный успех растения.
Геномная пластичность растения также является благом для селекционеров. «Разнообразие кукурузы - это ресурсная база для селекции», - говорит Цзяо. «Это ключ к получению более качественной кукурузы и большего ее количества в будущем».