При этом где-то в Азии до сих пор скрывается древний родственник конопли, ожидающий своего открытия. Этот дикий родственник, вероятно, обладает новыми генетическими адаптациями, связанными с его уникальной историей окружающей среды, что делает его сокровищницей информации для селекционеров конопли, осталось найти его. А пока что ученые определили пути селекции культуры на масличность для производства уникального тонизирующего масла.
Растение Cannabis sativa, также известная как конопля, родом из Азии, где до сих пор могут быть ценные для селекции дикорастущие родственники.
У конопли много уникальных особенностей, которые сделали ее выдающейся культурой на протяжении всей истории человечества, например, ее способность производить прочные волокна для текстиля или ее лечебные свойства, вытекающие из того, что она является одним из немногих растений, вырабатывающих большое количество каннабиноидов. Конопля может производить более 30% сухого веса в виде терпенов и каннабиноидов, небольших химикатов, которые нужны растению для защиты от травоядных вредителей. Это помимо прочего делает коноплю устойчивой культурой с меньшим потреблением агрохимических пестицидов.
Сегодня новаторы предполагают, что конопляное масло (при должной селекции) может конкурировать с рапсом и соей или что производные конопли могут даже использоваться в качестве устойчивой альтернативы реактивному топливу.
Однако заниматься селекцией конопли – нелегкая задача, поскольку у этого растения сложный геном.
Во-первых, конопля входит в число менее 5% растений, которые имеют четко выраженные женские и мужские полы на отдельных растениях. Во-вторых, геномы конопли содержат много транспозируемых элементов, которые представляют собой повторяющиеся участки ДНК, которые могут «прыгать» по геному и, таким образом, их трудно отслеживать.
Исследователи из Института Солка создали самый полный, высококачественный и подробный генетический атлас конопли на сегодняшний день.
Команда проанализировала 193 различных генома (целые наборы генетической информации), выявив беспрецедентное разнообразие, сложность и неиспользованные возможности в пределах этого важного сельскохозяйственного вида. Знаменательное достижение стало результатом многолетнего сотрудничества с Oregon CBD, Университетом штата Орегон и Институтом биотехнологии HudsonAlpha.
Ученые используют технологию, называемую секвенированием, для определения паттернов нуклеиновых кислот, которые соединяются по всей двойной спирали ДНК, образуя пары оснований вдоль цепей ДНК. Традиционные методы секвенирования с коротким считыванием разрезают ДНК, чтобы исследовать ее по частям, всего по несколько сотен пар оснований за раз. Более новые методы секвенирования с длинным считыванием могут захватывать тысячи пар оснований одновременно.
«Существуют ограничения на то, что можно обнаружить с помощью технологий секвенирования с коротким прочтением, поскольку эти короткие генетические фрагменты невозможно сшить вместе каким-либо осмысленным образом при изучении сложных участков генома, особенно повторяющихся последовательностей ДНК. Мы одни из первых, кто применил эту технологию длинных считываний в масштабах пангеномного контекста, и вместе с этим появились все эти знания о структурных вариациях и порядке генов, которые могут помочь в принятии решений на конечном этапе о выведении благоприятных признаков у растений конопли», - говорит соавтор статьи, опубликованной в журнале Nature, Лилиан Паджитт-Кобб, научный сотрудник в лаборатории Майкла.
«Наша команда создала самую полную на сегодняшний день генетическую карту, или пангеном, растения, проанализировав около 200 различных геномов конопли, и это показывает, что мы только начинаем раскрывать весь потенциал этого удивительного растения», - сказал Тодд Майкл, старший автор исследования и профессор-исследователь в Университете Солка.
Исследование не является первым, в котором использовалось длинночитое секвенирование - на самом деле, сам Майкл был первым исследователем, который создал геном конопли на уровне хромосом с помощью длинночитого секвенирования еще в 2018 году, что выявило сложную генетическую архитектуру, в которой синтезируются каннабиноиды.
Новое исследование выделяется своей полнотой. Оно содержит наибольшее количество геномов на сегодняшний день и является первым, включающим половые хромосомы, и, соответственно, первым, имеющим разрешение гаплотипа.
Конопля - диплоидное растение. Это означает, что, как и у людей, она содержит два набора хромосом: один набор унаследован от мужского растения, а другой - от женского.
В то время как большинство опубликованных на сегодняшний день геномов смогли расшифровать только одну хромосому, что также известно как разрешение гаплотипа, команда расшифровала оба набора хромосом конопли.
Рассмотрев оба набора хромосом, исследователи обнаружили беспрецедентное количество генетических вариаций - возможно, в 20 раз больше, чем у людей.
«Благодаря такому гаплотипическому разрешению, - объясняет Пэджитт-Кобб, - мы можем посмотреть, что было унаследовано только от одного из родительских растений, и начать понимать селекцию и происхождение этого растения».
В ходе исследования команда собрала геномы 144 различных растений конопли со всего мира, чтобы собрать 193 полных генома, 181 из которых никогда ранее не каталогизировались. Общий геном больше, чем общий геном растения из-за этого разрешения гаплотипа, поскольку каждое растение, у которого были исследованы оба набора хромосом, производило две сборки генома. В совокупности эти многочисленные геномы составляют пангеном, который был проанализирован, чтобы понять полную степень генетического разнообразия внутри видов конопли.
Высокое качество собранных геномов позволило исследователям раскрыть ранее неизвестные генетические закономерности, включая архитектуру генов, отвечающих за синтез каннабиноидов, а также, путем включения половых хромосом, впервые взглянуть на Y-хромосому конопли.
Первым открытием было то, что внутри вида существует неожиданное разнообразие. В пангеноме 23% генов были обнаружены в каждом геноме, 55% были почти универсальными (наблюдались в 95%–99% геномов), 21% находились между 5% и 94% геномов, и менее 1% были полностью уникальными. Некоторые из самых универсальных генов были теми, которые производят каннабиноиды.
Второе. В то время как гены каннабиноидов были последовательны в геномах, гены, связанные с метаболизмом жирных кислот, ростом и защитой, не были. Эти вариабельные гены представляют собой неиспользованный селекционный пул для создания новых сортов масличной конопли с повышенной питательной ценностью семян, сделав масличную коноплю успешным конкурентом другим масличным культурам.
Третье. Исследовательская группа обнаружила, что структурные изменения в пути биосинтеза жирных кислот способствуют выработке тетрагидроканнабиварина (ТГКВ), редкого каннабиноида типа варина, привлекающего внимание своими непсихоактивными, тонизирующими эффектами.
Исследователи определили интересные цели для сельскохозяйственной оптимизации конопли. Во-первых, изучив различия между европейскими и азиатскими геномами, они пришли к выводу, что, вероятно, где-то в Азии до сих пор скрывается древний родственник, ожидающий своего открытия. Этот дикий родственник будет обладать новыми генетическими адаптациями, связанными с его уникальной историей окружающей среды, что делает его богатством информации для селекции растений конопли, которые являются более устойчивыми культурами.
Новое понимание половых хромосом показало, что существуют гены, присутствующие только в «отцовских» растениях, которые можно использовать для выведения более производительного потомства. Результаты показывают, что селекционные программы могут упускать ценное генетическое разнообразие и потенциал признаков, закодированный в этих обойденных мужских геномах. Включение настоящих мужских растений в селекционные стратегии может разблокировать упущенные генетические преимущества и расширить возможности для улучшения урожая.
«За последние 10 лет селекционеры уже проделали значительную работу по повышению урожайности и превращению конопли в экономически выгодную культуру. Я могу предположить, что конопля и конопляные масла действительно будут процветать как в здравоохранении, так и в промышленности», - заключил соавтор Райан Линч, научный сотрудник лаборатории Майкла.
В краткосрочной перспективе группа ученых надеется, что пангеном конопли станет для исследователей всего мира динамичным ресурсом, чтобы раскрыть неиспользованный потенциал этой ценной многоцелевой культуры.
По статье, опубликованной Salk Institute.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.