Американские ученые из Института Земли (Канзас) и Института биотехнологий HudsonAlpha (Алабама) впервые полностью расшифровали геномы двух конкретных видов: Silphium integrifolium (сильфиум цельнолистный) и Silphium perfoliatum (сильфиум пронзеннолистный). Оба являются дикими многолетними родственниками подсолнечника.
Расшифровка геномов для Silphium integrifolium и Silphium perfoliatum была проведена в масштабе хромосом, с фазировкой гаплотипов. Для сильфиума это было невероятно сложной задачей, так как его геном огромен — он в три раза больше генома человека. Ученым удалось не просто прочитать ДНК, а точно разделить материнские и отцовские копии хромосом (это и есть фазировка). Результаты опубликованы в журнале Nature Communications и предоставляют основополагающие геномные данные для одомашнивания диких, глубокоукореняющихся видов Silphium, произрастающих в североамериканских прериях, в многолетние культуры для получения пищи, волокна, корма и лекарств.
Расшифровка генома позволяет селекционерам использовать передовые методы (например, геномный отбор и маркерную селекцию), чтобы быстро одомашнить дикий сильфиум. Из него создают устойчивую к засухам многолетнюю масличную культуру, которая защитит почву от эрозии, даст урожай и поможет в борьбе с изменением климата.
Подчеркивая значимость этого геномного достижения, Дэвид Ван Тассел, ведущий научный сотрудник Программы по многолетним масличным культурам в Институте Земли, сказал: «Дикие многолетние виды могут помочь улучшить продовольственную безопасность, привнося такие признаки, повышающие устойчивость, как глубокие корни. Селекция с использованием геномных данных поможет создавать новые сорта сельскохозяйственных культур быстрее, чем раньше, но геномы многих диких многолетних растений представляют собой сложную задачу. Мы показали, что новые, доступные подходы работают даже для трудно поддающегося сборке генома рода, который ранее сопротивлялся этому процессу».
Секвенированные геномы Silphium признаны одними из самых крупных в растительном мире, а их гигантские хромосомы уникально организованы в спиральную структуру, помогающую их упаковке. Секвенированные геномы Silphium очень велики — 7,6 гигабаз (Гб) для S. integrifolium и 7,5 Гб для S. рerfoliatum с длиной отдельных хромосом до 1,8 млрд пар нуклеотидов.
«Учитывая растущую нестабильность климатических условий и перебои в глобальном снабжении продовольствием, существует острая необходимость в разработке инструментов для ускорения одомашнивания и селекции более устойчивых к стрессам и адаптированных к местным условиям сельскохозяйственных культур. Эта геномная модель поможет ускорить улучшение не только рода Silphium, но и других диких видов, обладающих сельскохозяйственным потенциалом», — сказал Ренан Соуза, исследователь в области прикладной геномики из Института Земли, работавший над проектом совместно с учеными из HudsonAlpha.
В ходе исследований ученые разработали метод ДНК-дактилоскопии отдельных растений.
Селекционеры могут использовать эти «дактилоскопии» для более точного и быстрого отбора, определяя, какие гены важны для устойчивости к болезням, более крупных соцветий и других ключевых признаков. Селекционеры также могут применять «дактилоскопии» для выявления и сохранения очагов генетического разнообразия Silphium, которые имеют ключевое значение для изучения того, как генетическое и видовое разнообразие помогает регулировать распространение инфекционных заболеваний на полях многолетних культур.
Следующим шагом для авторов станет расширение масштабов генотипирования, позволяющее ежегодно проводить дактилоскопию тысяч растений, возможно, путем объединения усилий различных учреждений для достижения экономической эффективности.
Команда также продолжит изучение результатов исследования, показавших, что некоторые хромосомы Silphium имеют гигантские размеры и, возможно, необычную структуру. Эти геномные аномалии, возможно, следует учитывать для оптимизации селекционной работы и усилий по сохранению генетического разнообразия.
Виды рода Silphium распространены на восточных и центральных прериях, лугах и равнинах Соединенных Штатов и южной Канады.
Эти экосистемы развивались под воздействием выпаса скота и выжигания растительности и представляют собой ландшафты, обрабатываемые многочисленными коренными общинами, которые имеют давние связи с Silphium.
Исследователи и сотрудники Института Земли изучают культурную динамику одомашнивания сельскохозяйственных культур и этические подходы к управлению данными, включая первоначальные этноботанические исследования и взаимодействие с населением, разработку образовательных материалов и тестирование методов гражданской науки с участием общественности.
Источник: The Land Institute.
На заглавном фото: крупный план цветков Silphium integrifolium с пчелой на экспериментальном участке по изучению одомашнивания сельскохозяйственных культур в Институте Земли в Салине, штат Канзас, США. Фото: Институт Земли.