研究人员对野生甘蔗进行基因组测序

2022-02-27 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:478 /
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一个由来自16个机构的100多名科学家组成的国际团队已经对野生甘蔗的基因组进行了测序。研究结果发表在《自然遗传学》杂志上。野生甘蔗。影像学分:Joydeep / CC BY-SA 3.0。大约一万年前在新几内亚被驯化,“不用蜜蜂就能产蜜的芦苇”在公元前六世纪至四世纪被认为是一种奢......

一个由来自16个机构的100多名科学家组成的国际团队已经对野生甘蔗的基因组进行了测序。研究结果发表在《自然遗传学》杂志上。

The wild sugarcane (Saccharum spontaneum). Image credit: Joydeep / CC BY-SA 3.0.

野生甘蔗。影像学分:Joydeep / CC BY-SA 3.0。

大约一万年前在新几内亚被驯化,“不用蜜蜂就能产蜜的芦苇”在公元前六世纪至四世纪被认为是一种奢侈品和昂贵的香料。

大约在八世纪,甘蔗传入旧大陆后,它传播到加勒比海、南美、印度洋和太平洋岛国,推动了大规模的人类迁徙,包括奴隶劳动。

如今,甘蔗是世界上收获吨位第一的作物,也是第五大最有价值的作物,在90多个国家的2600万公顷土地上种植,每年收获18.3亿吨,总产值接近570亿美元,提供了世界80%的糖和40%的乙醇作为主要的糖和生物燃料原料作物。

大多数农民种植的甘蔗是两个物种的杂交体:甘蔗,它生长高含糖量的大型植物,和甘蔗,其较小的尺寸和甜味被增加的抗病性和对环境胁迫的耐受性所抵消。

由于缺乏完整的基因组序列,植物育种家通过几代人的杂交和选择,已经培育出高产、健壮的品系,但这是一个依靠时间和运气的艰苦过程。

“甘蔗是第五种最有价值的作物,缺乏参考基因组阻碍了甘蔗改良的基因组研究和分子育种,”来自伊利诺伊大学的主要作者雷明教授说。

“测序技术直到2015年才准备好处理大型同源多倍体基因组,当时第三代测序技术的吞吐量、读取长度和成本变得足够有竞争力。”

为什么甘蔗基因组测序如此困难?

在甘蔗进化史上的某个时候,它的基因组被复制了两次,导致每对染色体的四个稍微不同的版本一起挤进同一个细胞核。

这些事件不仅使基因组的大小翻了两番,还使基因组范围内高度相似的重复序列更难组装成不同的染色体。

基因组脱氧核糖核酸通常是以小的重叠片段进行测序或读取的,来自这些片段的序列数据成为一个巨大线性难题的重叠片段。

随着甘蔗基因组的大小翻了一倍,然后又翻了一倍,这个谜题不仅变大了;它呈现出重复但不完全相同的元素,这些微小的元素很难正确地融入其中。

为了克服这一挑战,明教授和合著者使用了一种叫做高通量染色质构象捕获(Hi-C)的技术。

这种方法使科学家能够发现细胞内染色体DNA的哪些部分相互接触。

当使用该团队开发的名为ALLHIC的定制算法进行分析时,所得数据符合拼图盒子盖子上图片的目的,提供了序列中哪些部分最有可能属于哪条染色体的粗略地图。

“最大的惊喜是,通过结合长序列读取和Hi-C物理图谱,我们将一个同源四倍体[四倍体]基因组组装成32条染色体,实现了我们在同源染色体间进行等位基因特异性注释的目标,”明教授说。

换句话说,研究人员现在知道哪些基因序列属于原始复制前基因组的四个变异中的每一个。比他们预期的要高得多的细节。

通过与相关物种的基因组进行比较,科学家们知道,在某个时候,独特染色体的数量已经从10条下降到8条。

令研究小组惊讶的是,新的数据显示,两条不同的染色体已经分裂,然后所有四个半体都融合到不同的现有染色体上,这是一组比他们假设的更复杂的事件。

理解这些物理变化有什么帮助?随着基因组中这些大规模的物理重组,受影响区域的基因也发生了变化。

例如,研究小组发现,被转移到新地方的大块染色体含有比在其他地方发现的更多的帮助植物抵抗疾病的基因。

明教授说:“这解开了一个谜团,为什么海绵糖菌是如此优越的抗病和抗逆基因的来源。

“染色体重排可能是这种富集的原因,而不是结果,尽管这种富集的基础机制仍有待研究。”

这一发现将加速挖掘已整合到优良现代甘蔗杂交品种s中的抗病基因的有效等位基因,进而实现甘蔗的分子育种

野生甘蔗基因组还使研究小组能够确定现代甘蔗难以置信的甜味的可能来源:即使在不太甜的甘蔗中,产生糖转运蛋白基因多个拷贝的突变也在积累。

他们还能够观察到,在甘蔗和海绵甘蔗之间的杂交中,海绵甘蔗衍生的脱氧核糖核酸序列随机分散在整个杂交基因组中。

“ALLHIC方法已经被证明对构建同源多倍体甘蔗基因组是有效的,”明教授说。

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张继森等。同源多倍体甘蔗等位基因定义基因组。自然遗传学,2018年10月8日在线发表;doi:10.1038/s 14588-018-0237-2


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