Вместо сравнения ДНК растений с одним эталонным геномом исследователи начинают сканировать геномы как совокупности крошечных фрагментов, известных как k-меры. Эти короткие последовательности генетического кода, обычно длиной в несколько десятков оснований ДНК, действуют как молекулярные штрихкоды, позволяя ученым быстро идентифицировать, какие фрагменты присутствуют в каких растениях. Это позволяет сравнивать генетическое разнообразие одновременно в тысячах образцов.
Этот подход открывает новые возможности для изучения огромного генетического разнообразия кукурузы, риса и других основных продовольственных культур, которые обеспечивают продовольствием миллиарды людей, но сталкиваются с растущим давлением со стороны изменения климата. Ученые из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (King Abdullah University of Science and Technology, KAUST) находятся в авангарде этой работы, и результаты их недавнего исследования опубликованы в журнале Nature Genetics.
От масштабных геномных исследований хлебной пшеницы и ее диких родственников до новых стратегий поиска разнообразия в глобальных банках семян, исследователи показывают, как анализ на основе k-меров может выявлять редкие генетические различия, утраченные в процессе селекции современных сортов сельскохозяйственных культур. Поскольку этот метод позволяет сканировать тысячи растений одновременно, он помогает быстро определить, где существуют полезные признаки в больших коллекциях семян.
Эти инструменты начинают превращать банки семян из статичных архивов в динамичные исследовательские ресурсы, помогая селекционерам выявлять растения, обладающие ценными характеристиками.
«Представление геномов в виде наборов k-меров обеспечивает масштабируемый способ сбора и сравнения геномного разнообразия в больших массивах данных. Цель состоит в том, чтобы быстро выявлять, тестировать и внедрять генетическое разнообразие по конкретным генам в процессы улучшения сельскохозяйственных культур», — добавляет он. «Это представляет собой значительное изменение в том, как селекционеры и исследователи будут использовать банки генов в будущем», — говорит Саймон Кратингер, доцент кафедры растениеводства в KAUST.
Применение k-мерной геномики к пшенице
Многие исследователи из KAUST, включая Икрама Блилу, Джесси Поланда, Рода Винга и Бранде Вульфа, все преподаватели программы «Наука о растениях» в Отделе биологических и экологических наук и инженерии, используют k-мерные подходы для изучения геномов сельскохозяйственных культур и растений, адаптированных к условиям пустыни, от финиковой пальмы и граната до зизифуса колючего и других видов, произрастающих в Саудовской Аравии. Однако лишь немногие растения демонстрируют ценность k-мерной геномики так наглядно, как пшеница, одна из наиболее широко культивируемых культур в мире.
В 2024 году Кратингер и Вульф возглавили разработку нового геномного ресурса для козьей травы Тауша (Aegilops tauschii), дикорастущего злака, от которого первоначально произошла часть сложного генома современной хлебной пшеницы. Именно это растение передало пшенице так называемый «геном D». Благодаря этому скрещиванию, произошедшему около 8–11 тысяч лет назад, пшеничное тесто стало эластичным и подходящим для выпечки хлеба, а само растение приобрело устойчивость к холоду и болезням.
Исследователи секвенировали геномы десятков растений козьей травы, собранных по всему естественному ареалу этого вида, от Турции на западе до Китая на востоке. Затем они разбили каждый геном на миллионы k-меров и объединили эти перекрывающиеся фрагменты ДНК в большую базу данных с возможностью поиска. Сравнивая геномы козьей травы с современными сортами пшеницы, команда определила, насколько сильно было утрачено генетическое разнообразие за тысячи лет одомашнивания.
«Эти отсутствующие гены представляют собой исходный материал для селекции и отбора. Их повторное внедрение является ключевым приоритетом в улучшении сельскохозяйственных культур», — объясняет Кратингер.
В качестве подтверждения работоспособности концепции исследователи сосредоточились на гене козьей травы, который защищает от разрушительного грибного патогена. По словам Кратингера, этот ген устойчивости к болезням представляет собой многообещающую отправную точку для селекционеров, стремящихся разработать культуры, которые могут лучше противостоять грибным инфекциям, являющимся основной причиной потерь урожая пшеницы во всем мире.
Совсем недавно Кратингер и его бывший аспирант Эмиль Кавале-Джорса использовали методы, основанные на k-мерах, чтобы проследить происхождение ключевого генетического изменения, которое позволило одомашнить пшеницу: сохранение зерна.
У дикорастущих злаковых растений зрелые семенные головки обычно осыпаются, позволяя зернам выпадать и рассеиваться — процесс, который поддерживает естественное размножение, но осложняет сбор урожая. Поэтому первые земледельцы отбирали растения, семена которых оставались прикрепленными к стеблю.
Анализ на основе k-меров показал, что этот признак не является результатом одной-единственной мутации, отобранной земледельцами, как считалось ранее. Вместо этого, множественные мутации, ответственные за сохранение целостности зерен пшеницы, появились в диких популяциях пшеницы за десятки тысяч лет до начала земледелия. Эти существовавшие ранее варианты, разбросанные по различным диким популяциям, вероятно, позже были объединены и отобраны первыми земледельцами.
Полученные результаты подтверждают ключевой вывод работы команды KAUST: многие признаки, необходимые для улучшения сельскохозяйственных культур в будущем, могут уже существовать в банках семян и дикорастущих растениях. Благодаря дальнейшему развитию k-мерной геномики, эти обширные коллекции могут стать доступными для поиска картами разнообразия сельскохозяйственных культур и важным ресурсом для селекции.
Источник: KAUST.
На фото: Саймон Кратингер исследует, как зерновые культуры, в частности пшеница, реагируют на стрессовые факторы окружающей среды и грибные патогены, разрабатывая геномные инструменты для повышения устойчивости сельского хозяйства. Фото: KAUST.
