Рожь — не только выносливая и высокоурожайная культура, но и обладательница ценного генофонда для селекции пшеницы. Международная исследовательская группа под руководством Института имени Лейбница (IPK) значительно улучшила основы исследований и селекции, опубликовав высококачественную эталонную последовательность генома. Впервые эта последовательность включает полные центромеры всех семи пар хромосом. Центромеры важны для правильного распределения генетической информации во время деления клеток.
Рожь имеет тесную и долгую эволюционную связь с ячменем и пшеницей. Однако её история как основной сельскохозяйственной культуры значительно короче. В то время как ячмень и пшеница были «одомашнены» 10 000 лет назад в так называемом Плодородном полумесяце Ближнего Востока, рожь первоначально распространилась как полевой сорняк. В процессе этого рожь постепенно переняла некоторые характеристики своих двух «старших братьев и сестер», пока 5000–6000 лет назад она также не стала самостоятельным культурным видом и в Средние века не превратилась в важнейшую хлебную зерновую культуру в Северной Европе.
Большой и сложный геном ржи представляет собой сложную задачу для науки. Геном не только значительно больше человеческого генома, но и почти на 90% состоит из повторяющихся последовательностей ДНК. Предыдущие эталонные последовательности, такие как та, что была получена в IPK в 2021 году, представляли собой полезные и важные достижения для исследований и селекции. Однако они оставались неполными и слишком неточными. Они содержали пробелы, неправильно выровненные участки, свернутые регионы и, что немаловажно, не полностью картированные центромеры. Последние имеют фундаментальное значение во время деления клеток, чтобы гарантировать, что дочерние клетки получают одинаковую генетическую информацию и могут правильно функционировать.
Для создания улучшенной эталонной последовательности исследовательская группа использовала самые современные технологии секвенирования, доступные в IPK. Сначала команда секвенировала длинные молекулы ДНК из линии Lo7. Эта линия является устоявшимся эталонным генотипом в исследованиях ржи. Длинные прочтения позволяют соединить участки генома, которые трудно расшифровать.
Затем фрагменты ДНК были упорядочены по семи хромосомам. Исследователи проверили новую эталонную последовательность, используя несколько независимых методов, и подтвердили высокое качество геномной последовательности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
«Новая эталонная последовательность представляет собой качественный скачок в исследованиях и селекции ржи. Она более полная, чем предыдущие версии, исправляет ошибки сборки, допущенные ранее, и предоставляет доступ к участкам генома для дальнейшего анализа и использования», — объясняет доктор Эрванг Чен, первый автор исследования.
В этих областях имеются идентичные участки, непосредственно повторяющиеся в исходном виде, которые в более ранних версиях присутствовали только в свернутом состоянии и не могли быть корректно идентифицированы. В частности, правильное определение состава центромер представляет собой прорыв.
«До сих пор расшифровка этих участков была особенно сложной. Благодаря новой последовательности мы теперь можем увидеть, как устроены эти центральные участки хромосом и какие элементы ДНК их характеризуют», — объясняет Чен.
Кроме того, исследовательская группа IPK показала, что определенные мобильные элементы ДНК, известные как транспозоны, были активны в центромерах ржи до недавнего времени. «Это доказывает, что центромеры могут эволюционировать по-разному у близкородственных видов злаковых. Это объясняется тем, что транспозоны способствуют вариативности, а эта вариативность может приводить к различным функциям», поясняет исследователь из IPK.
Особый интерес для селекции растений представляют новые открытия, касающиеся «короткого» плеча хромосомы 1R ржи, известного как 1RS. Оно уже было перенесено в несколько сортов пшеницы путем скрещивания и улучшает такие признаки, как устойчивость к болезням, стрессоустойчивость и урожайность. Особенно хорошо известны гены устойчивости к фитопатогенным грибам, таким как ржавчина или мучнистая роса.
Исследование показывает, что сегменты 1RS, используемые в пшенице, более или менее идентичны или, по крайней мере, очень тесно связаны друг с другом. Однако при сравнении этого сегмента у различных генотипов ржи, для которых была проведена секвенирование, становится очевидно, что этот регион демонстрирует гораздо большую изменчивость у ржи.
«Это означает, что разнообразие ржи по-прежнему обладает огромным нераскрытым потенциалом. Благодаря новому стандарту, которого мы достигли в секвенировании генома ржи, мы можем сделать следующий шаг. Мы уже начали секвенирование многих геномов ржи для создания так называемого пангенома ржи. Это служит основой для систематического изучения геномного разнообразия ржи в исследовательских и селекционных целях», — подчеркивает доктор Нильс Штайн, руководитель отдела «Генбанк» в Институте генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK)
Исследователи используют термин «пангеном» для обозначения совокупности всех генов или последовательностей ДНК вида.
Источник: Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research. Автор фото: Нильс Штайн.