Растение Nicotiana benthamiana из семейства пасленовых является одной из наиболее широко используемых экспериментальных моделей в науке о растениях. В 2020 году исследовательская группа из Университета Нагоя в Японии сообщила, что N. benthamiana можно прививать растениями из разных семейств, демонстрируя редкую способность, которую многие исследователи считали невозможной.
Теперь та же исследовательская группа использовала технологию секвенирования нового поколения для расшифровки всех генов в геноме табачного растения N. benthamiana . Их результаты дают представление о том, как растения способны выполнять эту прививку. Их результаты были опубликованы в журнале Plant and Cell Physiology .
Структура генома N. benthamiana долгое время оставалась загадкой. Его сложный геном возник в результате гибридизации, то есть его хромосомы произошли от двух видов растений. Событие гибридизации произошло примерно 10 миллионов лет назад между двумя близкородственными видами растений: Sylvestres по отцовской линии и Tomentosae по материнской линии. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, он продолжал развиваться через несколько событий гибридизации.
Поскольку геном растений, таких как N. benthamiana, очень велик, исследователи изо всех сил пытаются проанализировать его полностью, используя современные технологии. Поэтому, чтобы изучить его более эффективно, ученые разрезали его на более мелкие фрагменты для секвенирования, создав так называемую ДНК-библиотеку. Короткие последовательности, полученные после секвенирования фрагментированных библиотек ДНК следующего поколения, называются ридами. Эти последовательности затем собираются с использованием их перекрывающихся областей для создания более крупных последовательностей, называемых контигами. Учитывая, что порядок оснований в контигах известен, эту информацию можно использовать для соединения контигов для создания более длинных последовательностей, называемых каркасами.
Хотя были предприняты попытки проанализировать геном N. benthamiana путем его фрагментации на 141 000 каркасов, его сложная структура дупликации делает неясной структуру хромосомы и затрудняет молекулярно-генетический анализ . Как и в случае с головоломкой, легче представить собранную головоломку, состоящую из нескольких частей, чем головоломку, состоящую из 141 000 частей.
«N. benthamiana имеет сложную структуру генома. Из-за его сложности была известна только фрагментарная информация о ДНК, что было препятствием для генетических исследований », — объясняет доцент Мичитака Нотагучи, ведущий автор исследования. «Многие вещи были неизвестны, в том числе состояние между генами и информация о последовательности регуляторных областей экспрессии генов, что создавало барьер для дальнейшего генетического анализа ».
Исследовательская группа во главе с Кеничи Куротани, специально назначенным лектором, и Нотагучи из Исследовательского центра биологических наук и биотехнологий Университета Нагоя в сотрудничестве с Лабораторией массовой генетической информации, Национальным институтом генетики и Исследовательским институтом ДНК Казуса секвенировала большая часть генома N. benthamiana. Используя новейшую технологию секвенирования нового поколения, исследователи максимально внимательно изучили хромосомный уровень. Это позволило им вернуться в генетическую историю вида дальше, чем когда-либо прежде.
Исследователи добились секвенирования 95,6% всего генома и смогли получить 1668 каркасов, что намного меньше, чем в предыдущих исследованиях, что значительно упростило сборку «головоломки». Из этих каркасов 21 более крупный был размером с целую хромосому.
Было обнаружено, что N. benthamiana имеет сложную смесь последовательностей генома скрещивающихся родительских видов. Последовательности генома были настолько взаимосвязаны, что их невозможно было четко различить, что указывало на древнее происхождение гибридизации. По их оценкам, N. benthamiana и родственный N. tabacum, вероятно, переместились от 3 до 7 миллионов лет назад.
«Это исследование значительно облегчило генетический анализ N. benthamiana, предоставив обновленную информацию о последовательностях регуляторных областей экспрессии генов, сцеплении на хромосоме и количестве генов. Эта информация отсутствовала», — объясняет Куротани.
«Эта расшифровка генома облегчит применение технологии редактирования генома, которая, как ожидается, будет использоваться в исследованиях растений в будущем. Она должна ускорить научные исследования растений, а также разработку более эффективных методов использования N. benthamiana и ее уникального способности к прививке. Теперь, когда вся информация получена с помощью секвенирования генома, легче рассматривать N. benthamiana как объект исследования».
Теги: растения
