Ученые опубликовали самый подробный геном пшеницы

Международный консорциум ученых из 20 стран представил первый полностью аннотированный геном пшеницы с информацией о 107,8 тысячи генов растения. Работа опубликована в журнале Science.

Пшеница — вторая по объему производства сельскохозяйственная культура после кукурузы: по статистике Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), в 2016 году человечество вырастило не менее 823 миллионов тонн пшеницы. При этом пшеница — одна из самых сложных с генетической точки зрения культур: у нее гексаплоидный геном, состоящий из трех элементарных геномов, каждый из которых длиннее человеческого (всего 21 пара хромосом). Общая длина генома пшеницы превышает 17 миллиардов пар нуклеотидов, он в пять раз больше генома человека. 

Кроме того, в геноме пшеницы очень много, около 80 процентов, повторяющихся последовательностей некодирующей ДНК, из-за чего правильно собрать полный геном из коротких отрезков похожих между собой частей было очень трудно. «Понятно, что с наскока, просто прогнав геном пшеницы через секвенатор, ничего не получится на выходе, кроме набора коротких последовательностей. Если длина таких последовательностей 100 пар нуклеотидов, то при однократном покрытии генома таких последовательностей будет 160 миллионов. Сложно представить, как их вообще возможно выстроить в связанную картину», — сказала N+1 заведующая лабораторией молекулярной генетики и цитогенетики растений Института цитологии и генетики СО РАН, член координационного совета консорциума Елена Салина.

Международный консорциум по секвенированию генома пшеницы (IWGSC) после 13 лет работы официально представил референсный геном пшеницы сорта Chinese Spring — научному сообществу данные были доступны с января 2017 года. Это наиболее полное (94 процента всего генома) и качественное прочтение генома пшеницы на сегодняшний день с информацией о местоположении на хромосомах и известных функциях для 107891 гена и 4,7 миллиона ДНК-маркеров. Все данные опубликованы в открытом доступе, за каждую хромосому отвечала отдельная группа исследователей. Так, Институт цитологии и генетики СО РАН, присоединившийся к консорциуму в 2007 году, занимался хромосомой 5В, по длине практически равной двум геномам риса, рассказала Салина.

«Публикация референсного генома — кульминация работы многих людей, которые объединились под флагом IWGSC, чтобы сделать то, что считалось невозможным», — сказала исполнительный директор консорциума Келли Эверсоул (Kellye Eversole), которую цитирует его пресс-служба.

Как отмечают авторы статьи, референсный геном поможет ученым и селекционерам понять, какие гены растения определяют те или иные его признаки, например, устойчивость к засухе или урожайность, и быстрее получить новые сорта пшеницы, в том числе с помощью современных методов геномного редактирования, таких, как CRISPR/Cas9. «Чтобы делать работы по геномному редактированию, изучению функций тех или иных генов, нужно иметь базу, основу, иначе получается, что не от чего оттолкнуться. Поэтому, конечно, появление хотя бы первоначального референсного генома пшеницы — это очень большой шаг вперед», — сказал N+1 Дмитрий Мирошниченко, старший научный сотрудник лаборатории экспрессионных систем и модификации генома растений «БИОТРОН» в Институте биоорганической химии РАН.

«Для того, чтобы грамотно выстроить защиту растений от различных болезней, от засухи, заморозков и других стрессов, мы должны знать детально те гены и их взаимодействия, которые приводят к формированию устойчивости растений к различным видам стресса. Для этого иметь в руках прочитанный референсный геном пшеницы просто необходимо. Зная гены, отвечающие за нужные признаки и маркеры к ним, можно уже подключать такие современные технологии, как маркер-ориентированная селекция и геномная селекция, над чем мы сейчас работаем вместе с селекционерами для создания сортов мягкой пшеницы с нужными признаками», — подчеркнула Салина.

Кроме того, с помощью референсного генома можно будет изучать эволюцию пшеницы и изменение отдельных частей ее генома во времени. В дальнейшем авторы планируют улучшать его качество, а также секвенировать геном других сортов пшеницы, чтобы исследовать генетическое разнообразие этого растения. Публикация референсных геномов риса и кукурузы сильно подтолкнула генетические исследования этих растений, и консорциум надеется на аналогичный стимул для пшеницы.

Помимо основной статьи, журналы Science и Science Advances опубликовали еще два исследования, сделанных уже с помощью референсного генома. Авторы первого исследования провели полногеномный анализ экспрессии гомологичных генов, похожих последовательностей ДНК в разных элементарных геномах, в различных тканях растения и на разных этапах его жизни — это поможет понять, как такие гены можно использовать для получения нужных признаков у пшеницы. Во второй работе ученые определили 828 генов, связанных с белками пшеницы, аллергическая реакция на которых у человека вызывает целиакию, профессиональную бронхиальную астму пекарей и другие подобные заболевания. В частности, эту информацию можно будет использовать при разработке низкоаллергенных сортов пшеницы. Кроме того, одновременно еще четыре работы вышли в журнале Genome Biology, а всего с момента первого обнародования референсного генома он использовался более чем в 100 публикациях, говорится в сообщении IWGSC.

О сложностях генетической модификации пшеницы и о том, почему на рынке до сих пор нет ни одного ГМ-сорта, читайте в нашем недавнем материале.

Ольга Добровидова