До недавнего времени ученые сосредотачивались на однонуклеотидных полиморфизмах (однобуквенных «опечатках» в генетическом коде), известных как SNP (Single Nucleotide Polymorphisms).
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Genetics, показывает, что ранее малоизученные крупные генетические вариации сыграли решающую роль в истории огурца и являются ключом к его будущему улучшению.
Создание полного пангенома огурца
Исследовательская группа под руководством профессора Чжанцзюнь Фэя из Института Бойса Томпсона (BTI) создала пангеном на основе графов — самую полную генетическую карту огурца из когда-либо созданных.
В отличие от традиционных подходов, основанных на одном эталонном геноме, пангеном объединяет генетическую информацию из множества различных сортов. Этот мощный ресурс, созданный на основе 39 эталонных геномов огурца, выявил почти 172 000 крупномасштабных «структурных вариантов» — перестроек ДНК, которые сформировали эволюцию этой важной овощной культуры и могут оказывать существенное влияние на агрономические признаки.
«Это первый случай, когда нам удалось зафиксировать весь спектр генетического разнообразия огурцов на таком детальном уровне. Пангеном позволяет нам увидеть эти структурные варианты — крупные вставки, делеции и перестройки ДНК — и понять, какое глубокое влияние они оказывают на биологию и эволюцию огурца», — объясняет Фэй.
Как одомашнивание изменило ДНК огурца
Анализ выявил поразительную картину. В процессе одомашнивания огурцов генетический код подвергся масштабной «очистке». Хотя умеренно вредные однобуквенные мутации (SNP) часто допускались и сохранялись, более опасные однонуклеотидные варианты постоянно удалялись, что говорит о том, что эти более крупные варианты представляют большую опасность для здоровья растений.
Исследование также проследило глобальное распространение огурца, от его происхождения в Индии до распространения по Азии, Европе и Америке. В то время как в ходе этой географической экспансии накапливались умеренно вредные однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) — явление, известное как «экспансионная нагрузка», — структурные варианты следовали противоположной схеме: они продолжали элиминироваться с течением времени, а оставшиеся структурные варианты, как правило, моложе, чем SNP. В совокупности эти закономерности указывают на более сильный долгосрочный отбор против крупных генетических изменений.
Дикие гены, скрытый генетический багаж
Исследование также выявило генный поток из диких популяций огурцов в европейские. Хотя эта интрогрессия, возможно, принесла с собой полезные признаки, она также привела к появлению вредных структурных вариантов, которые «прицепились» к полезным генам.
«Это критически важное открытие для современной селекции, — говорит Фэй. — Оно показывает, что, когда селекционеры заимствуют ценные признаки у диких сородичей, такие как засухоустойчивость, они могут непреднамеренно привнести скрытый генетический багаж. Наша работа предоставляет ресурс, который поможет селекционерам выявить и удалить этот багаж».
Эти результаты имеют непосредственное практическое значение для селекции огурцов. Команда показала, что включение информации о наличии потенциально вредных структурных вариантов в каждом образце в модели геномного прогнозирования улучшает их способность предсказывать важные признаки, такие как форма и пустотелость плодов. Это может помочь селекционерам более эффективно разрабатывать лучшие сорта.
Последствия этого исследования выходят за рамки только огурцов. Разработанные в данном исследовании методы могут помочь исследователям понять генетическое разнообразие других видов, что потенциально ускорит разработку сельскохозяйственных культур с лучшей урожайностью, качеством и устойчивостью к стрессовым факторам.
Источник: Boyce Thompson Institute.
