В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, международная исследовательская группа под руководством Китайской академии сельскохозяйственных наук, объединяющая 22 научно-исследовательских учреждения из 10 стран, показала, что создание пангенома позволяет селекционерам выявлять и восстанавливать полезные гены и структурные варианты ДНК, утраченные в процессе одомашнивания сельскохозяйственных культур.
В качестве подтверждения работоспособности концепции команда разработала перспективную селекционную линию татарской гречихи (Fagopyrum tataricum), включающую полезные аллели диких видов и местных сортов, что позволяет ей выдерживать стресс, вызванный высокогорьем, и производить более крупные семена.
В Китае татарская гречиха официально внесена в государственный реестр сельскохозяйственных культур. Китайские ученые вывели десятки коммерческих сортов (например, «Сицяо 1», «Цзиньцяо №2», «Цзинцяо №3»).
Татарская гречиха содержит в 10–100 раз больше антиоксиданта рутина (витамина P) и кверцетина, чем обычная гречиха. В Азии из ее обжаренных семян делают гречишный чай (Ку Цяо), который ценится в традиционной медицине как средство для укрепления сосудов, снижения давления и борьбы с диабетом. По сути, это не просто крупа, а готовое лекарственное сырье.
Кроме того, обладая суперживучестью сорняка, татарская гречиха морозостойка, произрастает на бедных и каменистых почвах. Она является самоопыляемым растением (гомостильным, то есть у всех цветков пестики и тычинки имеют одинаковую длину), тогда как обычная гречиха требует опыления пчелами и часто страдает от пустоцветов при плохой погоде. Самоопыление гарантирует стабильно высокую завязываемость плодов и упрощает генетический анализ.
В целом, селекция с использованием геномики в значительной степени опирается на однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), измеряемые относительно одного эталонного генома. Этот подход в значительной степени игнорирует структурные вариации, которые могут оказывать существенное влияние на признаки. Поскольку в процессе одомашнивания гены, полезные только в самых естественных условиях, как правило, отбрасывались, многие полезные варианты сохранились до наших дней только у диких родственников культурных растений.
В ходе исследования команда собрала пангеном на основе графов из 16 геномов и каталогизировала 123 131 структурный вариант у разных видов. Пангеном выявил специфический для диких сортов ген, повышающий адаптацию к высокогорью, и специфический генетический регион, который способствует вариации размера семян у дикой гречихи и местных сортов. Используя эти признаки, команда разработала линии татарской гречихи с улучшенной адаптацией к высокогорью и повышенной урожайностью на всех экспериментальных участках.
Пангеномный граф (или граф из пангеномов) — это современный способ цифрового представления ДНК целого биологического вида, заменяющий привычную линейную последовательность сложной разветвленной сетью.
Если классический эталонный геном — это прямая дорога, то пангеномный граф — карта дорог со всеми развилками, объездами и альтернативными маршрутами.
В биоинформатике граф состоит из двух главных элементов:
- Узлы (сегменты ДНК). Кусочки генетической последовательности. Если определенный фрагмент ДНК есть абсолютно у всех исследованных организмов, он выглядит как длинный одиночный узел.
- Ребра (связи): Линии, соединяющие эти кусочки. Они показывают, в каком порядке сегменты ДНК могут идти друг за другом у разных особей.
Когда геномы множества образцов (например, 16 сортов гречихи) накладываются друг на друга, в местах генетических различий граф начинает ветвиться, образуя «петли» и «пузыри». Линейный геном каждого конкретного организма — это просто один из возможных маршрутов, проложенных через этот общий граф.
Традиционная геномика использует один линейный эталон (например, геном одного конкретного сорта гречихи или одного человека). Все остальные организмы сравнивают с ним методом поиска SNP (однонуклеотидных замен). Такой подход «слеп» к структурным вариациям — крупным изменениям в ДНК (более 50 пар нуклеотидов). Пангеномный граф решает эту проблему.
В описанном проекте не просто искали точечные мутации. Они построили граф из 16 высококачественных геномов разных видов гречихи. Благодаря разветвленной структуре графа, они смогли четко локализовать 123 131 структурный вариант. Без графа было бы технически невозможно заметить крупную «дикую» вставку ДНК, которая отвечает за адаптацию к экстремальному высокогорному климату и размер семян.
Авторы описывают полученный результат как универсальную стратегию интеграции полезных аллелей, включая варианты числа копий, как от диких сородичей, так и от местных сортов, для ускорения улучшения элитных сельскохозяйственных культур.
Учитывая, что все основные сельскохозяйственные культуры имеют диких сородичей и есть местные сорта, обладающие вариациями, которые упускаются из виду при использовании однореферентных подходов, исследователи утверждают, что этот метод хорошо применим и за пределами исследуемой ими культуры.
Команда выбрала татарскую гречиху, выносливое, богатое питательными веществами зерновое растение, произрастающее в Гималаях и имеющее важное значение для продовольственной безопасности в высокогорных районах, поскольку ее дикие сородичи выживают в условиях, включая интенсивное УФ-В-излучение и холод, которые большинство сельскохозяйственных культур не могут перенести.
Затем они создали эталонный геном без разрывов T2T (от теломеры до теломеры), интегрировали генетические данные из 994 образцов из 15 стран и собрали пангеном из 16 геномов, охватывающий дикие гималайские популяции и распространенные по всему миру местные сорта.
Пангеном выявил ген FtRNH, присутствующий у дикорастущих растений, произрастающих на больших высотах, но отсутствующий у всех культурных сортов, который помогает растениям восстанавливать повреждения ДНК, вызванные УФ-В излучением. Он также определил второй локус, FtPLATZ, где дополнительные копии гена и небольшая вставка промотора связаны с более крупными семенами.
Путем скрещивания этих вариантов и использования маркер-опосредованной селекции команда создала линию-кандидата, несущую как ген адаптации к стрессу диких растений, так и варианты с крупными семенами. В полевых испытаниях на больших высотах линия показала лучший рост и значительно более высокую урожайность, чем стандартный сорт, а также дала более крупные семена.
