Щирица бугорчатая, щирица гибридная и амарант Палмера возглавляют рейтинг наиболее вредоносных сельскохозяйственных сорняков, которые влияют на системы растениеводства в США и других странах. Ученым из Университета Иллинойса удалось собрать и опубликовать самую полную на сегодняшний день информацию о геноме для всех трех видов, ознаменовав новую эру научных открытий 

«Подобные геномные сборки будут в значительной степени способствовать дальнейшим исследованиям этих сложных видов сорняков, в том числе лучшему пониманию способов, которыми они избегают повреждения гербицидами», - говорит Пэт Транел, профессор и доцент кафедры растениеводства Университета Иллинойса, состоящий в группе авторов данной работы «Биология и эволюция генома».

Все три генома были собраны с использованием расширенного секвенирования с длительным считыванием, которое поддерживает целостность и непрерывность генома, подобно тому, как большие кусочки пазла дают более четкую картину целого, чем маленькие кусочки.

Для амаранта Палмера применяли дополнительную технологию секвенирования (секвенирование с фиксацией конформации хроматина) для дальнейшего упорядочения частей генома, собранных с использованием информации длительного считывания.

«Цель любой сборки генома - выявить полное расположение генов в геноме, разбитое на фрагменты размером с хромосому. К сожалению, до недавнего времени качественная сборка генома была очень трудоемкой и дорогой. В ранее опубликованных черновиках геномов этих видов сообщалось, что геном разбит на тысячи частей, в то время как сборки, о которых мы сообщаем, сократились до сотен. Подавляющая часть последовательности теперь собрана в очень большие фрагменты», - говорит Джейкоб Монтгомери, первый автор исследования.

Чтобы еще больше улучшить сборку геномов щирицы бугорчатой и щирицы гибридной, команда использовала инновационный подход, известный как «трио биннинг», разработанный для генетических исследований крупного рогатого скота. Мало того, что этот метод никогда прежде не применялся в полной мере на растениях, он также не использовался с родителями от разных видов.

При нормальном размножении родители мужского и женского пола вносят по одной копии каждого гена в свое потомство. В этом случае потомство диплоидно, то есть у него есть две копии каждого гена. В ходе работы команда создала гибридное потомство двух отдельных видов: щирицы бугорчатой и щирицы гибридной.

Эти потомки по-прежнему диплоидны, но метод трио биннинга позволил отделить и изолировать две копии от каждого родительского вида, что привело к гаплоидным (одиночным) геномам для каждого.

«Этот подход решил проблему в предыдущей сборке генома. Когда родительские аллели (копии каждого гена) сильно отличаются друг от друга, как это часто бывает в случае ауткроссинговых видов, таких как щирица бугорчатай, программа сборки генома интерпретирует их как разные гены, - говорит Транел. - Имея только один аллель от каждого вида, мы смогли получить гораздо более чистую совокупность их генных последовательностей».

Детлеф Вайгель, директор Института биологии развития им. Макса Планка и соавтор исследования, добавляет: «Я большой поклонник новых передовых методов секвенирования, но даже если их теоретически должно быть достаточно, чтобы разобраться в расположении генов, на практике это не так. Здесь может помочь генетика, использующая информацию о том, унаследованы ли гены от мамы или папы. Это позволило нам отнести каждый ген к материнской или отцовской хромосоме».

Важно отметить, что знания о геномах всех трех видов помогут бороться с устойчивостью этих сорняков к гербицидам.

Все чаще поступают доказательства нецелевой или метаболической устойчивости у щирицы бугорчатой и амаранта Палмера, что позволяет сорнякам выводить токсины из гербицидов до того, как активные вещества причиняют вред.

К сожалению, обычно очень трудно определить, какой именно фермент из сотен отвечает за детоксикацию гербицида.

Теперь ученые, по сути, смогут отсортировать список, чтобы найти виновника, в надежде либо вывести из строя ответственный фермент, либо изменить молекулу гербицида во избежание детоксикации.

«Инновации необходимы для будущего сельского хозяйства. Мы в BASF постоянно работаем над улучшением наших продуктов и услуг, включая решения для борьбы с устойчивыми к гербицидам сорняками. Мы хотим лучше понять механизмы биохимической устойчивости амаранта, чтобы предложить фермерам новые продукты и решения для оптимальной борьбы с ключевыми сорняками », - говорит Йенс Лерхл, руководитель отдела ранних биологических исследований гербицидов в BASF и соавтор исследования. Лерхл координировал работу над геномом амаранта Палмера с компанией KeyGene / Wageningen - Нидерланды.

«Область секвенирования генома очень динамична. Вот почему BASF выбрала KeyGene в качестве партнера как для новейших технологий секвенирования, так и для биоинформатики. Вместе с опытом Иллинойского университета и Общества Макса Планка мы смогли сравнить геномы и затронуть конкретные биологические темы», - говорит Лерхл.

Помимо сотрудничества в этом исследовании, BASF также является одним из основателей Международного консорциума по геномике сорняков, возглавляемого Университетом штата Колорадо, целью которого является секвенирование и анализ десяти ключевых сорняков.

Соавторы из KeyGene подтверждают актуальность результатов и доступность данных для общественности.

«В науках о растениях изучение генетики сорняков важно для устойчивости будущего сельского хозяйства. Мы надеемся, что наши результаты побудят ученых всего мира начать, продолжить и активизировать исследования генетики важных сорняков, которые в настоящее время снижают урожайность, увеличивают затраты и наносят ущерб окружающей среде», - говорит Антуан Янссен, эксперт по геномной информатике в KeyGene.

(Источник: Keygene).