Секвенирован геном трансгенной папайи, созданной в 1990-е годы
Вирусоустойчивый сорт папайи SunUp, созданный методом бомбардировки золотыми частицами, выращивается на Гавайях с 1998 года. Но только теперь выполнена сборка его генома и генома сорта-прародителя, детально исследованы инсерции и оценено их влияние на свойства генно-модифицированной папайи.
Папайя была одомашнена на юге Мексики и Центральной Америки, сейчас выращивается в тропических и субтропических регионах по всему миру. Ученые из Китая и США исследовали трансгенный сорт папайи SunUp, устойчивый к вирусу кольцевой пятнистости (papaya ringspot virus), который переносится насекомыми. Сорт был создан в 1990-х годах, для трансформации использовали актуальный в то время метод — бомбардировку частицами золота, которые несли ген белка оболочки вируса. Этими частицами с помощью «генной пушки» выстрелили в клетки папайи сорта Sunset. В результате удалось получить трансгенную папайю, защищенную от инфекции за счет РНК-опосредованного сайленсинга генов. Сорт SunUp спас от вируса индустрию папайи, его гибрид Rainbow с более привычными для потребителя свойствами выращивается на Гавайях с 1998 года и разрешен в нескольких странах, включая те, которые не одобрили ни одно другое трансгенное растение.
Ранее методом саузерн-блоттинга были идентифицированы три трансгенных вставки в геноме SunUp, в том числе одна функциональная, содержащая ген вирусного капсида cp. Сейчас ученые собрали геномы сортов SunUp и Sunset — соответственно, 351,5 and 350,3 млн пар нуклеотидов (Mb) в девяти хромосомах. Исследование заняло 8 лет. Сначала использовали секвенирование по Сенгеру, но эта технология дает короткие риды, 500–600 нуклеотидов, поэтому было сложно исследовать протяженные делеции и инсерции. В новом исследовании представлены результаты секвенирования длинных ридов с помощью технологий Pacific Biosciences и Oxford Nanopore. «Это новейшие доступные методы, и они позволили нам прочитывать от 50 до 200 тысяч пар оснований за раз», — сказал руководитель работы Рэй Мин из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейне.
Авторы идентифицировали в хромосоме 5 сорта SunUp инсерцию размером 1,64 миллиона пар оснований, она, в свою очередь, содержала не только вирусные фрагменты, но и фрагменты генетического материала, которые соответствовали участкам ядерного генома папайи и геномов пластид и митохондрий. Всего инсерция содержала 77 перемещенных и встроенных фрагментов: 52 ядерно-пластидных, 21 ядерно-митохондриальных, один фрагмент ядерного генома и три трансгенных вирусных фрагмента. Здесь есть тонкость: пластидная и митохондриальная ДНК могут интегрироваться в ядерный геном и без «бомбардировки», и чтобы определить, какие фрагменты происходят непосредственно из геномов органелл, а какие из ядерных копий, авторы сравнили эти инсерции у трансгенной и нетрансгенной папайи. Десять плазмидных и три митохондриальных инсерции, локализованных в большой инсерции, были специфическими для SunUp и очень сходными с геномами органелл; вероятно, они попали в ядерный геном из плазмид и митохондрий во время бомбардировки.
Интересно, что такая масштабная перестройка не изменила функций генов. Всего лишь 20 генов у SunUp и Sunset экспрессировались дифференциально, и это произошло, по мнению авторов, из-за перемещений мобильных элементов генома в течение 30 лет после расхождения трансгенной и нетрансгенной папайи, а не собственно из-за генетической манипуляции.
Также были получены интересные данные, не касающиеся генной модификации. Женские экземпляры папайи имеют хромосомы XX, мужские —XY, гермафродиты— XYh. Авторы собрали без разрывов гермафродит-специфический регион в Yh хромосоме размером 9,8 Mb и соответствующий ему регион размером 6 Mb в X-хромосоме.
У дикой папайи маленькие плоды, весом менее 100 г с очень небольшим количеством съедобной мякоти, в то время как плод сортовой папайи может весить более килограмма. Генетическая история селекции этого вижа представляет большой интерес для сельского хозяйства. Ресеквенирование 86 геномов папайи выявило три различных группы, подтвердив их географическое происхождение и историю селекции. Авторы идентифицировали 147 события выметания отбором и определили особую роль зета-каротин-десатуразы в аккумуляции каротина в формировании культурных сортов.
Таким образом, детально исследовано влияние бомбардировки на геном трансгенного сорта, который выращивается почти четверть века. «Эта работа укрепит идею о том, что даже спустя три десятилетия мы все еще можем безопасно употреблять в пищу трансгенную папайю, и это не оказывает негативного воздействия на геномы папайи или потребителей», — отмечает Мин. Авторы планируют исследовать и другие трансгенные линии папайи.
Источник
SunUp and Sunset genomes revealed impact of particle bombardment mediated transformation and domestication history in papaya. Nature Genetics, 2022. DOI: 10.1038/s41588-022-01068-1