Рис является основным продуктом питания для более чем половины населения мира и моделью для изучения трав-кандидатов на биоэнергию, таких как сорго, просо просо и мискантус. Чтобы оптимизировать сельскохозяйственные культуры для производства биотоплива, ученые стремятся идентифицировать гены, контролирующие ключевые характеристики, такие как урожайность, устойчивость к болезням и эффективность использования воды.
Популяции мутантных растений, каждое из которых имеет один или несколько измененных генов, являются важным инструментом для выяснения функции генов. С помощью секвенирования всего генома на уровне отдельных нуклеотидов исследователи могут сделать вывод о функциях генов, наблюдая за появлением или потерей определенных признаков. Но полезность существующих коллекций мутантов риса была ограничена несколькими факторами, в том числе относительно длинным шестимесячным жизненным циклом сортов и отсутствием информации о последовательности большинства мутантных линий..
В статье, опубликованной в журнале The Plant Cell, команда под руководством Памелы Рональд, профессора Центра генома и кафедры патологии растений Калифорнийского университета в Дэвисе и директора отдела генетики трав в Объединенном Институт биоэнергетики (JBEI) совместно с сотрудниками из Калифорнийского университета в Дэвисе и Объединенного института генома Министерства энергетики США (JGI) сообщил о первой полногеномной мутантной популяции, индуцированной быстрыми нейтронами, Китааке, модельного сорта риса с коротким жизненным циклом.
Kitaake (Oryza sativa L. ssp. japonica) завершает свой жизненный цикл всего за девять недель и не чувствителен к изменениям фотопериода. Эта новая коллекция ускорит функциональные генетические исследования риса и других однодольных растений, видов цветковых растений, включающих травы.
"Некоторые из самых популярных сортов риса, которые люди используют прямо сейчас, имеют только два поколения в год. У Китааке их до четырех, что действительно ускоряет работу по функциональной геномике", - сказал Гуотянь Ли, ученый проекта в Лоуренсе Беркли. Лаборатория (Berkeley Lab) и заместитель директора отдела генетики трав в JBEI.
В ранее опубликованном пилотном исследовании Ли, Маушенг Черн и Рашми Джайн, соавторы статьи The Plant Cell, продемонстрировали, что облучение быстрыми нейтронами приводит к обильным и разнообразным мутациям в Китааке, включая замены одиночных оснований, делеции, инсерции, инверсии, транслокации и дупликации. Другие методы, которые использовались для создания мутантных популяций риса, такие как вставка генов и сегментов хромосом и использование инструментов редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9, обычно приводят к одному типу мутации, отметил Ли.
"Облучение быстрыми нейтронами вызывает разные типы мутаций и дает разные аллели генов, так что мы действительно можем получить то, что невозможно получить из других коллекций", - сказал он.
Полногеномное секвенирование этой мутантной популяции - всего 1504 строки с 45-кратным охватом - позволило исследователям точно определить каждую мутацию с разрешением в один нуклеотид. Они выявили 91 513 мутаций, затрагивающих 32 307 генов, что составляет 58 процентов всех генов в геноме риса размером примерно 389 мегабаз. Большая часть из них была мутациями с потерей функции.
Используя эту коллекцию мутантов, группа Grass Genetics идентифицировала инверсию, затрагивающую один ген, как причинную мутацию короткозернистого фенотипа в одной мутантной линии с популяцией, содержащей всего 50 растений. Напротив, исследователям потребовалось более 16 000 растений, чтобы идентифицировать один и тот же ген, используя традиционный подход..
«Это сравнение ясно демонстрирует возможности секвенированной популяции мутантов для быстрого генетического анализа», - сказал Рональд.
Этот каталог мутаций с высокой плотностью и высоким разрешением предоставляет исследователям возможность открывать новые гены и функциональные элементы, контролирующие различные биологические пути. Чтобы облегчить открытый доступ к этому ресурсу, группа Grass Genetics создала веб-портал под названием KitBase, который позволяет пользователям находить информацию, связанную с коллекцией мутантов, включая данные о последовательности, мутации и фенотипе для каждой линии риса.