Современный гибридный сахарный тростник — одна из наиболее собираемых культур на планете, используемая для производства продуктов, включая сахар, патоку, биоэтанол и материалы на биологической основе. Он также имеет один из самых сложных генетических проектов.
До сих пор сложная генетика сахарного тростника делала его последней крупной культурой, не имеющей полного и высокоточного генома. Ученые разработали и объединили несколько методов, чтобы успешно составить карту генетического кода сахарного тростника. С помощью этой карты они смогли проверить конкретное место, обеспечивающее устойчивость к опасному заболеванию бурой ржавчиной, которое, если его не остановить, может уничтожить урожай сахара. Исследователи также могут использовать генетическую последовательность, чтобы лучше понять множество генов, участвующих в производстве сахара.
Исследование опубликовано в журнале Nature, а геном доступен на растительном портале JGI Phytozome.
«Это была самая сложная последовательность генома, которую мы когда-либо создавали», — сказал Джереми Шмутц, руководитель программы по растениям в JGI и научный сотрудник Института биотехнологии HudsonAlpha. «Это показывает, как далеко мы продвинулись. Это то, что 10 лет назад люди считали невозможным. Теперь мы можем достичь целей, которые, как мы даже не считали возможными, в геномике растений».
Геном сахарного тростника настолько сложен как потому, что он большой, так и потому, что он содержит больше копий хромосом, чем типичное растение. Эта особенность называется полиплоидией. Сахарный тростник содержит около 10 миллиардов пар оснований, строительных блоков ДНК; для сравнения, геном человека насчитывает около 3 миллиардов. Многие участки ДНК сахарного тростника идентичны как внутри, так и в разных хромосомах. Это усложняет правильную сборку всех небольших сегментов ДНК при одновременной реконструкции полной генетической схемы. Исследователи решили загадку, объединив несколько методов генетического секвенирования, включая недавно разработанный метод, известный как секвенирование PacBio HiFi, который может точно определять последовательность более длинных участков ДНК.
Наличие полного «эталонного генома» облегчает изучение сахарного тростника, позволяя исследователям сравнивать его гены и пути развития с генами других хорошо изученных культур, таких как сорго, или других культур, представляющих интерес для биотоплива, таких как просо и мискантус. Сравнивая эту ссылку с другими культурами, становится легче понять, как каждый ген влияет на интересующий признак, например, какие гены высоко экспрессируются при производстве сахара или какие гены важны для устойчивости к болезням. Это исследование показало, что гены, ответственные за устойчивость к бурой ржавчине, грибковому патогену, который ранее наносил ущерб посевам сахарного тростника на миллионы долларов, обнаружены только в одном месте генома.
«Когда мы секвенировали геном, мы смогли заполнить пробел в генетической последовательности, связанной с болезнью бурой ржавчины», — сказал соавтор исследования Адам Хили из HudsonAlpha. «В геноме сахарного тростника сотни тысяч генов, но только два гена, работая вместе, защищают растение от этого патогена. Среди растений нам известно лишь несколько случаев, когда защита работает аналогичным образом. Лучшее понимание того, как работает устойчивость сахарного тростника к болезням, может помочь защитить другие культуры, столкнувшиеся с аналогичными патогенами в будущем».
Исследователи изучили сорт сахарного тростника, известный как R570, который десятилетиями использовался по всему миру в качестве модели для понимания генетики сахарного тростника. Как и все современные сорта сахарного тростника, R570 представляет собой гибрид, полученный путем скрещивания одомашненных видов сахарного тростника (которые преуспели в производстве сахара) и диких видов (которые несут гены устойчивости к болезням).
«Знание полной генетической картины R570 позволит исследователям отслеживать, какие гены произошли от какого родителя, что позволит селекционерам легче идентифицировать гены, которые контролируют интересующие признаки для улучшения производства», — сказала соавтор исследования Анжелика Д'Онт из Французского центра сельскохозяйственных исследований международного развития (CIRAD).
Улучшение будущих сортов сахарного тростника имеет потенциальное применение как в сельском хозяйстве, так и в биоэнергетике. Улучшение того, как сахарный тростник производит сахар, может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечивая больше сахара на том же объеме площади для выращивания. Сахарный тростник является важным сырьем или исходным материалом для производства биотоплива, особенно этанола, и других биопродуктов. Остатки, оставшиеся после прессования сахарного тростника, называемые жомом, представляют собой важный тип сельскохозяйственных отходов, которые также можно расщеплять и превращать в биотопливо и биопродукты.
«Мы работаем над тем, чтобы понять, как определенные гены в растениях связаны с качеством биомассы, которую мы получаем в дальнейшем, которую мы затем можем превратить в биотопливо и биопродукты», — сказал Блейк Симмонс из Объединенного института биоэнергетики Министерства энергетики США. «Благодаря лучшему пониманию генетики сахарного тростника мы сможем лучше понимать и контролировать генотипы растений, необходимые для производства сахаров и промежуточных продуктов, полученных из жома, которые нам необходимы для устойчивых технологий переработки сахарного тростника в масштабах, соответствующих биоэкономике».
