Группе ученых из международного проекта, охватывающего университеты Израиля, Германии, Италии, Японии, Канады и США удалось описать структуру и разнообразие генома дикой пшеницы двузернянки, предка современных сельскохозяйственных пшеничных культур. Они впервые сделали ее полногеномную сборку, описали работу ее генов и нашли локусы, подвергшиеся давлению селекции, в том числе гены, отвечающие за опадание колосов. Исследование опубликовано в Science.
Triticum vulgare, T. turgidum, T. compositum (сверху вниз)
Сборка геномов растений часто бывает затруднена из-за большого размера их геномов и большого числа повторов в них, а также свойственной многим растениям полиплоидии — наличия множества наборов хромосом вместо типичного одного или двух наборов, характерных для гаплоидных и диплоидных организмов. Дикая двузернянка (Triticum turgidum ssp. dicoccoides) — аллотетраплоид, что означает, что в ядрах ее клеток имеются четыре набора хромосом от двух разных исходных предков (то есть два ее диплоидных набора, или субгенома, не полностью соответствуют друг другу, а пришли из разных источников). Промежуточным звеном между дикой двузернянкой и современной сельскохозяйственной мягкой и твердой пшеницей является одомашненный вид двузернянки. Пшеницу начали культивировать более десяти тысяч лет назад, и за это время она претерпела ряд изменений, однако генетическая основа этих изменений до сих пор недостаточно изучена.
С помощью методов шотган-секвенирования и данных HiC-анализов ученым удалось впервые с высокой степенью точности собрать геном и реконструировать архитектуру 14 хромосом дикой пшеницы. После этого они провели анализ РНК в двадцати разных ее тканях и описали около 65 тысяч генов в новой сборке, после чего методами сравнительной геномики подтвердили, что это, скорее всего, действительно работающие гены. Работа ряда генов двузернянки, как выяснилось, несколько отличается в двух ее субгеномах. Соответствующие белки, в основном, подвержены фосфорилированию и участвуют в глобальных метаболических процессах, из чего ученые сделали вывод, что субгеномная регуляция экспрессии генов может быть способом адаптации разных сортов пшеницы к разным условиям.
На основании сравнения около двух сотен разных образцов пшеницы (дикой двузернянки, одомашненной двузернянки и твердой пшеницы) с полученным референсным геномом, ученые описали от 32 до 154 геномных локусов двузернянки (в зависимости от параметров выборки), которые по-видимому, играли ключевую роль в процессах селекции. При этом разнообразие геномов у разных представителей дикой пшеницы оказалось не существенно большим, нежели у разных представителей сельскохозяйственных сортов. У последних, однако, наблюдался аллельный сдвиг в сторону более распространенных вариантов генов — по-видимому, вследствие эффектов «бутылочного горлышка» в процессе селекции (скрещивания очень похожих представителей). Многие гены, расположенные в вышеупомянутых «селекционных» участках, согласно классификации Gene Ontology, чувствительны к растительным гормонам роста ауксинам. Это похоже на картину для подобных генов у кукурузы и риса.
Ученым удалось, в частности, выявить гены, отвечающие за опадание колоса. У дикой пшеницы при созревании колос опадает, а у одомашненной — нет, и это является существенным преимуществом при сборе урожая. Именно эта особенность легла в основу зернового сельского хозяйства еще на заре его возникновения в эпоху неолита, и стала своего рода его революционным прорывом. Геном оказался TtBtr1, гомолог соответствующего гена Btr1 у ячменя. Он представлен в обоих субгеномах копиями TtBtr1-A и TtBtr1-B, и нарушение работы этих копий ведет к потере способности созревшего колоса к опаданию. Чтобы исследовать работу этих генов подробнее, ученые получили отдельные сорта пшеницы с нарушенной копией TtBtr1-A или TtBtr1-B, и колосы таких сортов продемонстрировали промежуточные характеристики — они опадали, но лишь частично. У всех одомашненных сортов пшеницы обе копии этого гена были нарушены.
Опадание колоса у разных представителей: дикая двузернянка с опадающим колосом, два промежуточных варианта с нарушенным геном TtBtr1-A или TtBtr1-B, и сельскохозяйственный сорт с неопадающим колосом. Нижний ряд - cнимки рубцов.
Исследование геномов культивируемых растений и выявление наиболее значимых с точки зрения селекции локусов может давать большие преимущества в рамках сельского хозяйства, поскольку до сих пор большая часть шагов селекции делались «вслепую».
Источник: N+1
