Арбуз — это квинтэссенция летнего фрукта, вызывающая в воображении образы теплых солнечных дней и пикников с друзьями и семьей. Легко представить его полосатую зеленую кожуру и розовую мякоть, вообразить нежный хруст, когда откусываешь ломтик, и почти почувствовать вкус сладкого сока, разливающегося по языку. Но вы, вероятно, не задумываетесь о биологической основе таких характеристик, как цвет, текстура и сладость плода — о генетике, которая миллионы лет подвергалась отбору, как в природе, так и посредством целенаправленной селекции, чтобы подарить вам именно эти ощущения.
Как появились современные арбузы
Арбузы, которые мы видим в продуктовых магазинах, — это, по сути, лишь несколько из множества сортов, каждый из которых обладает уникальным набором физических характеристик, или фенотипов, обусловленных различиями в их генетическом составе, или генотипе. На протяжении истории селекция на желаемые признаки значительно снижала генетическое разнообразие культивируемых арбузов, ухудшая их способность адаптироваться к воздействию окружающей среды и болезней и ставя под угрозу их долгосрочную устойчивость. Однако дикие арбузы сохранили многие ценные признаки и, следовательно, могут стать ключом к улучшению современных сортов.
Создание суперпангенома арбуза
Чтобы лучше понять, как генотипические различия влияют на фенотипическую изменчивость арбуза, международная группа под руководством доктора Чжанцзюнь Фэя из Института Бойса Томпсона создала всеобъемлющий суперпангеном арбуза, результаты работы опубликованы в журнале Nature Genetics . Этот новаторский ресурс объединяет 138 геномов как диких, так и культурных арбузов, чтобы с беспрецедентной глубиной показать эволюционные взаимосвязи между отдельными геномами.
Традиционные референсные геномы обычно получают от одного представителя вида, в то время как пангеномы включают в себя множество образцов внутри вида, но ни один из них не отражает в полной мере разнообразие родственных видов. Фей объясняет: «Мы называем наш суперпангеном, потому что мы включили образцы не только одного вида, но и всех семи существующих видов рода арбузов. Дикие родственники предоставляют обширную информацию для разработки маркеров и геномного прогнозирования». Таким образом, суперпангеномы являются мощными инструментами для целенаправленной селекции сельскохозяйственных культур, которые могут лучше отвечать потребностям общества.
Картирование структурных вариантов и признаков
Геномы арбуза содержат сотни мегабаз ДНК, а различия между отдельными геномами варьируются от незначительных однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) до крупных структурных вариантов (SV), которые могут охватывать сотни тысяч оснований. Графовая структура этого суперпангенома арбуза обеспечивает повышенную способность к обнаружению таких структурных вариантов, которые могут оказывать существенное влияние на фенотип. Интегрируя всю эту информацию, команда Фэя, по сути, создала сложную карту генетического разнообразия арбуза.
Имея в распоряжении этот мощный ресурс, команда поставила перед собой цель связать конкретные геномные регионы с важными сельскохозяйственными признаками. Интеграция данных о структурных вариантах в их анализ значительно расширила возможности выявления сильных генотип-фенотипических ассоциаций, что привело к открытию нескольких структурных вариантов, тесно связанных со сладостью и устойчивостью к патогенам.
Открытия, которые меняют представление о селекционном потенциале
Примечательно, что одна структурная вариация (SV) оказалась значительно связана с интенсивностью цвета кожуры, важным коммерческим признаком, коррелирующим с пищевой ценностью и влияющим на привлекательность для потребителей. Эта структурная вариация влияла на экспрессию одного конкретного гена, и, как подчеркнул Фэй, «этот ген можно было идентифицировать только с помощью этого суперпангенома, поскольку структурная вариация не была связана ни с одним из близлежащих однонуклеотидных полиморфизмов (SNP)».
Помимо открытия отдельных генов, этот суперпангеном открывает двери для более широкого применения. «Эти ресурсы могут напрямую повлиять на стратегии селекции, — говорит Фэй, — поскольку мы можем использовать их для создания платформ для селекции с помощью геномики». Демонстрируя этот потенциал, команда разработала прогностические модели, которые могут определять фенотипические характеристики на основе компактного набора высокоэффективных SNP и SV-маркеров.
Геномные ресурсы, такие как суперпангеномы, предоставляют богатый материал для изучения генетической основы важных признаков, но их значение выходит за рамки лаборатории. Обладая знаниями на молекулярном уровне о том, как наследуются признаки, можно разрабатывать целенаправленные стратегии селекции для более эффективного создания сельскохозяйственных культур с благоприятными сочетаниями признаков.
В случае с арбузами первостепенной задачей является восстановление устойчивости к болезням у диких сородичей при сохранении вкусовых качеств, которые сделали их любимым продуктом потребителей. В эпоху суперпангеномов такая персонализация становится все более достижимой.
Источник: Boyce Thompson Institute. Автор: Алисса Кирли.