Первые полногеномные последовательности арахиса без пробелов в геноме позволили выявить гены, ответственные за более крупные семена и лучшие масла.
Международная группа исследователей получила полные, без пробелов, геномные последовательности шести сортов арахиса, что представляет собой всеобъемлющий план для будущих стратегий селекции и улучшения арахиса.
Создание полной карты генома арахиса
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Genetics, исследователи секвенировали два диких предка культурного арахиса, четыре культурных сорта и разработали эталонные геномы для двух подвидов арахиса, которые ранее не были полностью картированы. Затем они проанализировали ДНК 521 образца арахиса, собранных по всему миру, чтобы выявить генетические варианты, связанные с размером семян, содержанием масла и другими ключевыми агрономическими признаками.
В состав исследовательской группы вошли ученые из Центра инноваций в растениеводстве и пищевой промышленности Университета Мердока (Австралия), Института сельскохозяйственных наук Пекинского университета, Гуансийской провинциальной академии сельскохозяйственных наук, Шаньдунской академии сельскохозяйственных наук и Чжэцзянского университета (Китай).
Секвенирование генома арахиса, как известно, представляет собой сложную задачу из-за его сложной генетической структуры, изобилующей повторяющимися фрагментами ДНК. Учитывая эти трудности, предыдущие попытки секвенирования оставили значительные пробелы и некартированные регионы, что ограничивает современные методы селекции с использованием геномики.
Однако эта новая сборка генома от теломеры до теломеры заполнила пробелы и выявила два гена-кандидата, один из которых связан с содержанием масла, а другой — с размером семян.
Ключевые гены, связанные с признаками масличности и урожайности
Первый ген, названный AhWRI1, связан с разницей примерно в шесть процентных пунктов (около 48% против 54%) в содержании масла в семенах арахиса между сортами, несущими разные варианты этого гена.
Второй ген, AhGSA1, связан со значительно более крупными семенами, и у линий арахиса, несущих один из вариантов этого гена, средний размер семян составлял около 846 граммов на тысячу семян, по сравнению с 491 граммом у линий, несущих альтернативный вариант — разница составляет более 70%.
Оба варианта могут быть использованы в качестве ДНК-маркеров в традиционных программах селекции арахиса для ускорения разработки более урожайных сортов с более высоким содержанием масла.
Разнообразие и эволюция генома арахиса
Директор Центра инноваций в растениеводстве и пищевой промышленности и соавтор исследования, профессор Раджив Варшней, пояснил: «Арахис является основным источником пищевого масла и белка для сотен миллионов людей, однако с его генетикой работать было сложнее, чем с большинством основных сельскохозяйственных культур. Но благодаря этому новому геномному ресурсу селекционеры и исследователи наконец-то получили безупречный эталонный геном, на который они могут полагаться при разработке более урожайных и богатых питательными веществами сортов арахиса».
В ходе исследования также был выявлен большой участок ДНК, присутствующий во всех исследованных растениях одного подвида арахиса (var. hirsuta), но практически отсутствующий у другого (var. hypogea). Этот регион содержит гены, связанные с архитектурой растения и метаболизмом липидов, что дает конкретное объяснение некоторым видимым различиям между этими типами арахиса.
Новые геномы также показывают, что две половины генома арахиса эволюционировали с поразительно разной скоростью, о чем свидетельствуют различия в количестве повторяющейся ДНК, изменении формы центромер в противоположных направлениях и частоте структурных изменений.
«Мы знали, что у культивируемого арахиса есть два набора хромосом от двух разных предковых видов, которые слились тысячи лет назад, — сказал профессор Варшней. — Но мы не осознавали, насколько асимметричной была эволюция этих двух половин и почему. Понимание того, как эти два субгенома разошлись, помогает объяснить, почему арахис ведет себя генетически именно так, и где, вероятно, можно найти полезное разнообразие для селекции».
Последствия для продовольственной безопасности и научных исследований
Комментируя результаты исследования, проректор Института будущего продовольствия, профессор Питер Дэвис, сказал: «Арахис играет жизненно важную роль в обеспечении глобальной продовольственной безопасности и питания, а его азотфиксирующие свойства делают его отличным вариантом для устойчивых севооборотов. Поэтому, хотя австралийская арахисовая промышленность может быть скромной по мировым стандартам, исследовательская деятельность Мердока в отношении этой критически важной культуры продолжает расти. Мои поздравления профессору Варшнею и его команде, поскольку именно благодаря таким ресурсам мы можем предпринять значимые шаги к созданию более устойчивой сельскохозяйственной системы».
Заместитель ректора по исследованиям и инновациям Университета Мердока, профессор Питер Иствуд, добавил: «Первая сборка генома человека методом T2T была достигнута всего четыре года назад. Учитывая, что арахис имеет четыре набора хромосом, происходящих от двух разных видов, эта новая сборка методом T2T шести сортов является замечательным достижением. Мы чрезвычайно гордимся тем, что исследователи из Университета Мердока находятся на переднем крае геномных исследований, и с нетерпением ждем, когда профессор Варшней и его команда применят этот подход к пшенице и другим ключевым сельскохозяйственным культурам».
Источник: Murdoch University.