На протяжении веков сахарный тростник снабжал человечество алкоголем, биотопливом, строительными и ткацкими материалами, а также самым надежным источником сахара в мире. Теперь исследователи извлекли из сахарного тростника замечательную научную награду: массивную и сложную последовательность генома, которая может привести к созданию более выносливых и продуктивных сортов.
Создание всеобъемлющей последовательности потребовало согласованных усилий более 100 ученых из 16 учреждений; работа заняла пять лет и завершилась публикацией в журнале Nature Genetics. Но мотивация взяться за проект возникла задолго до этого.
«Лично я ждал 20 лет, чтобы секвенировать этот геном», - сказал Рэй Минг, профессор биологии растений из Университета Иллинойса, который инициировал и руководил секвенированием. «Я мечтал иметь эталонный геном сахарного тростника, когда работал над картированием генома сахарного тростника в конце 1990-х». Мин является членом Института геномной биологии им. Карла Р. Вёзе, входящего в группу исследователей, заинтересованных в выращивании сахарного тростника и связанных с ним культур для увеличения производства продуктов питания и биотоплива.
Полная последовательность генома стоила ожидания и затраченных усилий из-за ее потенциала для улучшения качества сахарного тростника. Сахарный тростник, выращиваемый большинством фермеров, представляет собой гибрид двух видов: Saccharum officinarum, из которого растут крупные растения с высоким содержанием сахара, и Saccharum spontaneum, чей меньший размер и сладость компенсируются повышенной устойчивостью к болезням и устойчивостью к стрессам окружающей среды. Не имея полной последовательности генома, селекционеры создали высокоурожайные, крепкие сорта путем скрещивания и селекции поколений, но это трудный процесс, зависящий от времени и удачи.
«Сахарный тростник является пятой самой ценной культурой, и отсутствие эталонного генома препятствует геномным исследованиям и молекулярной селекции для улучшения сахарного тростника», - сказал Мин. "…Технология секвенирования не была готова обрабатывать большие автополиплоидные геномы до 2015 года, когда производительность, длина считывания и стоимость технологии секвенирования третьего поколения [например, разработанной биотехнологической компанией Pacific Biosciences] стали достаточно конкурентоспособными".
Почему секвенировать геном сахарного тростника было так сложно? Естественное явление, обычное для растений, создало значительный технический барьер. Когда-то в ходе эволюционной истории сахарного тростника его геном был продублирован дважды, в результате чего четыре слегка различающиеся версии каждой пары хромосом были втиснуты в одно и то же ядро вместе.
Эти события не только увеличили размер генома в четыре раза (и, следовательно, объем последовательности ДНК), но и значительно усложнили сборку очень похожих последовательностей из полногеномной дупликации в отдельные хромосомы. Геномная ДНК обычно секвенируется или считывается небольшими перекрывающимися фрагментами, и данные о последовательности из этих фрагментов становятся перекрывающимися частями огромной линейной головоломки. По мере того как размер генома сахарного тростника удваивался, а затем снова удваивался, эта головоломка не просто становилась больше; он содержал повторяющиеся, но не совсем идентичные элементы, в которые было трудно правильно вписать эти многочисленные крошечные кусочки.
Чтобы справиться с этой задачей, команда секвенаторов использовала метод, называемый высокопроизводительным захватом конформации хроматина или Hi-C. Этот метод позволяет исследователям обнаружить, какие части длинных запутанных нитей хромосомной ДНК соприкасаются друг с другом внутри клетки. При анализе с использованием специального алгоритма под названием ALLHIC, разработанного командой, полученные данные служили цели изображения на крышке коробки-головоломки, предоставляя грубую карту того, какие участки последовательности, скорее всего, принадлежали какой хромосоме.
«Самым большим сюрпризом стало то, что, объединив чтения длинных последовательностей и физическую карту Hi-C, мы собрали автотетраплоидный [учетверенный] геном в 32 хромосомы и достигли нашей цели - аллель-специфической аннотации среди гомологичных хромосом», - Мин. сказал. Другими словами, исследователи теперь знали, какие последовательности генов принадлежат к каждой из четырех вариаций исходного генома до дупликации - гораздо более высокий уровень детализации, чем они ожидали..
С помощью этой информации исследователи могли бы сформировать лучшие гипотезы о тайнах эволюционной истории генома сахарного тростника.
Благодаря сравнению с геномами родственных видов исследователи узнали, что в какой-то момент количество уникальных хромосом сократилось с 10 до восьми. К удивлению команды, новые данные последовательности показали, что две разные хромосомы разделились, и все четыре половины затем слились с разными существующими хромосомами, что представляет собой более сложный набор событий, чем тот, который они предполагали..
Как помогает понимание этих физических изменений? Наряду с этими крупными физическими перестройками в геноме происходят изменения генов в пораженных областях. Например, Мин и его коллеги обнаружили, что большие фрагменты хромосом, перемещенные в новые места, содержат гораздо больше генов, помогающих растениям сопротивляться болезням, чем те, которые были обнаружены в других местах.
«Это разрешило загадку, почему S. spontaneum является таким превосходным источником генов устойчивости к болезням и стрессоустойчивости», - сказал Мин. «Хромосомные перестройки, вероятно, являются причиной, а не следствием этого обогащения, хотя основной механизм этого обогащения еще предстоит изучить. Это открытие ускорит разработку эффективных аллелей генов устойчивости к болезням, которые были включены в элитные современные гибридные сорта сахарного тростника, и впоследствии осуществление молекулярной селекции [сахарного тростника]."
Высокое качество последовательности генома также позволило исследователям определить возможные источники невероятной сладости современного сахарного тростника: даже в менее сладком S. spontaneum накопились мутации, которые произвели множественные копии генов белков, транспортирующих сахар. Они также смогли наблюдать, что при гибридизации между S. officinarum и S. spontaneum последовательность ДНК, полученная из S. spontaneum, случайным образом разбросана по гибридному геному.
«Метод ALLHIC уже доказал свою эффективность для построения автополиплоидного генома сахарного тростника», - сказал Мин. Он ожидает, что методы, успешно использованные для генома сахарного тростника, также помогут исследователям в секвенировании других сложных геномов.