Расшифрован гексаплоидный геном батата

Батат (Ipomoea batatas) — гексаплоидная культура (2n = 6x = 90) родом из Южной Америки, которая была одомашнена человеком более 5000 лет назад. Батат был завезен в Европу и Африку из Центральной/Южной Америки в начале шестнадцатого века и впоследствии распространился по всему миру. Он характеризуется высокой урожайностью, высокой питательной ценностью и приспособляемостью к различным условиям окружающей среды.

Происхождение батата остается спорным, во многом из-за сложности его гексаплоидного генома. Для него характерны мультивалентные хромосомные ассоциации и гексасомное наследование. Существует несколько гипотез появления гексаплоидного генома батата. Первая предполагает участие двух диплоидных родственников, I. trifida (2n = 2x = 30) и I. triloba (2n = 2x = 30). Согласно второй гипотезе, внутри вида I. trifida произошла автополиплоидизация. Открытие дикого автотетраплоидного вида I. aequatoriensis (2n = 4x = 60), близкородственного батату, привело к третьей версии — аллополиплоидизации между I. trifida и I. aequatoriensis. Последняя, четвертая, гипотеза предполагает вклад как дикого тетраплоидного вида I. batatas (I. batatas 4x; 2n = 4x = 60), так и I. aequatoriensis.

Команде ученых из Китая и США удалось полностью собрать геном батата сорта «Танзания», популярного в Южной Африке из-за высокой питательной ценности и устойчивости к вирусной инфекции батата и альтернариозу стеблей. Они установили, что один из предковых геномов гексаплоидного батата, вероятно, напрямую произошел от дикого I. aequatoriensis (его ареал в настоящее время ограничен прибрежным Эквадором), а другие тесно связаны с диким центральноамериканским I. batatas 4×.

Авторы получили сборку генома сорта «Танзания» на хромосомном уровне с разрешением гаплотипов. Они с высокой степенью достоверности предсказали 246 023 гена, кодирующих белки. Из них 231 798 генов (94,22%) были локализованы на 90 хромосомах, в среднем 38 633 гена на гаплотип. Среди шести гаплотипов сорта «Танзания» и его дикого сородича I. trifida ученые идентифицировали 39 654 синтенных гомологичных генов. Выравнивание генома выявило сильную коллинеарность между всеми шестью гаплотипами — гены одной хромосомы сохраняли взаимное расположение и порядок при передаче от родителя к потомку, а также в процессе эволюции, — несмотря на наличие крупных инверсий. Кроме того, среди шести гаплотипов было идентифицировано 17 313 423 однонуклеотидных полиморфизма (SNP), а также различные инсерции и делеции размером более 20 п.н.

Авторы обнаружили, что 22 100 генов домашнего хозяйства присутствовали только в одном гаплотипе батата (при этом большинство генов сохранились в нескольких гомологичных копиях после полиплоидизации). Такие гены высококонсервативны среди эукариот и редко сохраняются в нескольких копиях после дупликаций генома у покрытосеменных растений. Напротив, гены, связанные с реакцией на стресс и устойчивостью к болезням, как правило, у полиплоидных видов сохраняются в нескольких копиях либо из-за отбора человеком, либо из-за их роли в адаптации к окружающей среде. Большинство семейств генов в гексаплоидном геноме I. batatas были в шесть раз больше, чем в гаплоидной сборке генома I. trifida.

Предыдущие исследования установили, что два тетраплоидных вида, I. aequatoriensis и I. batatas 4×, являются ближайшими сохранившимися дикими родственниками культурного батата. Ученые проанализировали данные ресеквенирования генома десяти образцов I. aequatoriensis и восьми — I. batatas 4×, и установили, что примерно треть генома происходит от I. aequatoriensis. Он, по-видимому, напрямую происходит предка батата. Другая значительная часть имела сходство с диким центральноамериканским тетраплоидом Ipomoea batatas 4x — авторы предполагают, что некоторые виды-доноры, геномы которых еще не получены, вероятно, теснее связаны именно с ним. I. trifida также, согласно полученным данным, не является прямым донором генома батата.

Дополнительноученые проанализировали геномный состав 25 репрезентативных гексаплоидных образцов, включавших четыре образца из Южной Америки — центра происхождения батата — и 21 из Азии, Африки, Северной Америки и Океании. Полученные результаты подтвердили существенный вклад видов I. aequatoriensis и I. batatas в геном гексаплоидного батата.

В целом, батат можно классифицировать как «сегментарный аллополиплоид» — этот гибрид произошел от разных видов, но его геном функционирует так, как если бы предковый вид был один. Такое геномное слияние и рекомбинация обеспечивают батату уникальную адаптивность и устойчивость к болезням.

Также авторы обнаружили в геноме батата горизонтально перенесенные последовательности IbТ-ДНК — сегменты ДНК агробактерий. Эти IbТ-ДНК встречались и у диких сородичей батата, и их использовали, чтобы отследить происхождение. Ученые полагают, что IbT-ДНК передались растениям от ныне вымершей или предковой формы Agrobacterium rhizogenes. Считается, что последовательность IbТ-ДНК2, наряду с IbТ-ДНК1, сыграла роль в эволюции батата и его родственников. При этом IbT-ДНК1 обнаружена во всех 291 гексаплоидных образцах батата, отобранных по всему миру, а вот IbT-ДНК2 присутствует лишь примерно в 20% проанализированных сортов батата. Почти все образцы I. aequatoriensis содержат IbT-ДНК2, а некоторые образцы I. batatas 4× — IbT-ДНК1. Исследуемый сорт батата «Танзания» содержит в геноме обе этих последовательности.

Получив более четкое представление о сложной генетике батата, селекционеры смогут эффективнее выявлять гены, отвечающие за такие ключевые характеристики, как урожайность, питательная ценность и устойчивость к засухе и болезням. Эта точность может ускорить создание улучшенных сортов. Также данное исследование демонстрирует, как современные геномные инструменты могут помочь в расшифровке других сложных геномов.

Нокаут двух генов сделал томаты сладкими