Новая информация, опубликованная в The Plant Journal, не только расширит знания генетиков о ДНК ячменя, но также поможет в понимании на генетическом уровне пшеницы и других источников пищи. Он также находит применение в селекции растений за счет повышения точности маркеров таких признаков, как качество соложения или стеблевая ржавчина.«То, что мы сейчас имеем, — это гораздо более точное разрешение генетической информации по всему геному ячменя», — сказал Тимоти Дж.
Клоуз, профессор генетики в Калифорнийском университете в Риверсайде и соответствующий автор исследовательской работы. «Это улучшенный ресурс, используемый во всем мире. До этой работы долгое время считалось, что распределение генов в геномах ячменя, пшеницы и их родственников таково, что генно-плотные области находятся только рядом с концы хромосом, где также наблюдается высокая скорость рекомбинации.
Наша работа выявила явные исключения, выявив девиантные области, богатые генами, но с низкой рекомбинацией ».Рекомбинация относится к образованию новых комбинаций генов естественным образом во время мейоза, который является этапом клеточного цикла, на котором хромосомы объединяются в пары и подвергаются обмену.
Клоуз объяснил, что селекционеры полагаются на мейотическую рекомбинацию для внедрения благоприятных форм генов, определяющих качество соложения, стеблевую ржавчину или любое количество признаков в культивируемые сорта. Производятся скрещивания, и потомки растений проверяются на предмет желаемых новых комбинаций признаков.
Когда благоприятная форма гена (аллеля) находится в генно-плотной области с низкой рекомбинацией, требуется гораздо больше работы, чтобы внести этот благоприятный аллель в существующий сорт, не привлекая при этом соседние гены, которые могут существовать в нежелательных формах.«Например, селекционер может преуспеть в добавлении благоприятного аллеля устойчивости к стеблевой ржавчине дикого ячменя, но вместе с этим геном перетягивает другой ген, вызывающий разрушение зрелой головки», — сказал Клоуз. «Теперь у селекционера будет растение, устойчивое к стеблевой ржавчине, но все семена упадут на землю, а не останутся на растении до сбора урожая. Итак, если ген находится в генно-плотной области с низкой рекомбинацией, это означает, что что гораздо большее количество потомков от скрещиваний должно быть исследовано, чтобы найти те, которые происходят из редких рекомбинационных событий, которые отделяют желаемый новый аллель от нежелательных форм соседних генов.
Знание местоположения генно-плотных участков с низкой рекомбинацией помогает решить, какие гены, которые нужно использовать для улучшения сорта ".Клоуз объединился со Стефано Лонарди, профессором информатики и инженерии в UCR, чтобы разработать ряд эффективных вычислительных инноваций, которые помогли в дальнейшем секвенировать геном ячменя. Новые алгоритмы могут обрабатывать большие наборы данных, позволяя исследователям добиться большего прогресса, чем это было бы возможно в противном случае.«Тим и я смогли очень тесно сотрудничать на всех этапах проекта, от плана эксперимента во влажной лаборатории до окончательного анализа результатов; главная проблема заключалась в том, как обрабатывать очень большое количество образцов ячменя и для этого мы разработали новый подход к секвенированию, который использует глубокие результаты комбинаторики », — сказал Лонарди.
Работа является результатом партнерства между Колледжем естественных и сельскохозяйственных наук и Инженерным колледжем Борнса при UCR, которое процветает более десяти лет благодаря постоянной грантовой поддержке Министерства сельского хозяйства США и Национального научного фонда, в основном ориентированной на о нововведениях в биоинформатике.«Партнерство создало среду, в которой студенты, аспиранты и другие люди имеют очень продуктивный опыт и обучение в области геномики», — сказал Клоуз.
Ключевые инновации в области вычислений:количество выделенных исследователями последовательностей генома примерно в четыре раза превышает размер всего генома риса.в работе использовались преимущества двух очень существенных нововведений в алгоритмах, которые Клоуз и Лонарди опубликовали со своими студентами в прошлом году: одно — новое вычислительное изобретение, позволяющее лучше использовать современные данные о последовательностях большого объема; другой — очень эффективный метод классификации последовательностей в определенные группы.новая информация была интегрирована в национальный проект по пшенице / ячменю (TriticeaeCAP) и передана Международному консорциуму по секвенированию ячменя.новая информация позволила исследователям прояснить аспекты генома ячменя, которые важны в контексте эволюции генома и для практического использования знаний о геноме селекционерами растений и базовыми исследователями, а именно: расположение богатых генами регионов, в том числе тех, которые имеют низкая рекомбинация«Когда селекционеры делают скрещивания для создания новых сортов, они ищут новые комбинации аллелей, которые лучше подходят для сельскохозяйственной среды или рынка сельскохозяйственной продукции», — пояснил Клоуз. «Часто это означает скрещивание с несколько далекими особями, которые могут нести неблагоприятные аллели во многих положениях генома.
Когда заводчик может скрещиваться только по благоприятным аллелям, это полезно.«Если неблагоприятные аллели соседних генов всегда связаны с благоприятными аллелями целевых генов, тогда это бесполезно», — добавил он. «Когда благоприятный аллель находится в пределах области, в которой рекомбинация редко нарушает связь с плохим аллелем соседнего гена, селекционеру придется гораздо усерднее работать с большей популяцией, чтобы найти редких особей с правильными комбинациями. участки генома ячменя устойчивы к рекомбинации, селекционеры смогут принимать более информированные решения о том, какие аллели использовать, и планировать более эффективно ».Около двух десятилетий назад Клоуз работал почти исключительно над дегидринами — семейством белков, которые вырабатываются всеми растениями в ответ на стресс, вызванный засухой или низкой температурой.
К 2000 году его исследовательская группа знала, что в ячмене есть по крайней мере 13 генов дегидрина, и Клоуз хотел изучить их все.«Ресурсов генома для ячменя было недостаточно, и, к счастью, у меня был соответствующий тип обучения, чтобы помочь развить основные ресурсы генома», — сказал он. "Итак, одно привело к другому для меня и для моих коллег из UCR, которые стали участвовать в походе по ячменю.
Теперь мы выполнили последнюю задачу по ресурсам генома, которую мы взяли на себя, и осталось еще несколько лет, чтобы посмотреть еще раз. у дегидриновых генов ячменя.То, что Клоуз и его коллеги узнали, работая с ячменем, легко перенести на вигну. Исследовательская группа сейчас активно занимается исследованиями вигны, которые в UCR имеют 40-летнюю историю.
«Мы возглавляем международные усилия по совершенствованию селекции вигны, нацеленной на многие признаки», — сказал Клоуз. «Что касается ячменя, гены дегидрина кажутся очень пластичными, некоторые из них меняются с высокой частотой на протяжении поколений, и мы намерены более подробно изучить эту пластичность теперь, когда у нас есть знания о геноме, которых нам не хватало раньше.Чтобы получить доступ к содержащей ген части генома ячменя с высоким разрешением, Клоуз и его команда идентифицировали и секвенировали 15 622 BAC или бактериальные искусственные хромосомы — небольшие фрагменты ДНК ячменя, связанные с другой ДНК, чтобы образовать кольцевую молекулу, которая может реплицироваться. и размножаться внутри бактериальной клетки E. coli, что позволяет исследователям производить копии каждого ВАС для секвенирования ДНК по одному небольшому фрагменту генома ячменя за раз. Изучая эти секвенированные БАС, которые содержат примерно две трети всех генов ячменя, Клоуз и его команда обнаружили, что области с высоким содержанием генов встречаются не только в регионах с высокой комбинацией.«Есть богатые генами регионы, которые находятся в регионах с низкой рекомбинацией, что критически важно для селекции растений», — сказал Клоуз.
Поскольку ячмень является близким родственником пшеницы, новая работа может предложить полезную информацию, ведущую к полному секвенированию генома пшеницы.Двадцать два из 49 соавторов исследования внесли свой вклад, пока они были в UCR: Мария Муньос-Аматриайн, Лонарди, Кавита Мадишетти, Ян Т. Свенссон, Мэтью Дж.
Москоу, Стив Ванамакер, Тао Цзян, Яцин Ма, Эдмундо Родригес , Прасанна Р. Бхат, Паскаль Кондамин, Джош Резник, Мэтью Альперт, Марко Беккути, Сердар Боздаг, Франческа Кордеро, Хамид Миребрагим, Рашид Оунит, Юнхуэй Ву, Цзе Чжэн, Дениса Дума и Клоз. Кроме того, большая часть необработанных данных о последовательностях была произведена в Genomics Core Facility UCR Джоном Вегером.