Kartoffel-Pan-Genomik: Durchbrüche in der Evolution und Hybridzüchtung

Mit dem Aufkommen von Langzeit-SequenzierungstechnologieDie Forschung zu Genomen hat beispiellose Höhen erreicht. Nicht nur hat sich die Vollständigkeit, Kontinuität und Genauigkeit der Genomassemblierung im Vergleich zur Next-Generation-Sequenzierungstechnologie erheblich verbessert, sondern die Durchbrüche erstrecken sich über alle Aspekte der Genomik. Dieser Fortschritt erleichtert nicht nur die eingehende Untersuchung einzelner hochwertiger Genome, sondern ermöglicht auch die Verfolgung von Pan-Genom-Forschung.

Die Kartoffel zählt zu den wichtigsten nicht-getreideartigen Nutzpflanzen der Welt, und die überwiegende Mehrheit der kommerziell angebauten Kartoffelsorten weist eine erhebliche Tetraploidie auf. Der Fortschritt in der diploiden Kreuzung durch echte Samen hat das Potenzial, die zukünftige Kartoffelproduktion und Zuchtbemühungen grundlegend zu verändern. Bislang haben nur begrenzte Untersuchungen die genetische Evolution und Vielfalt sowohl von Wild- als auch von Kultivierten Kartoffeln erforscht, was die praktische Nutzung der genetischen Vielfalt des Kartoffelgenoms in Zuchtinitiativen einschränkt.

Die Forscher haben erfolgreich 44 sorgfältig detaillierte diploide Kartoffelgenome unter Verwendung von PacBio HiFi und Hi-C-Technologien, die in einer umfassenden pan-genomischen Erkundung gipfeln. Diese Erkundung ist darauf ausgelegt, den Fortschritt der hybriden Kartoffelzuchttechniken zu beschleunigen und unser Verständnis der Evolution und biologischen Eigenschaften der Kartoffel als eine entscheidende globale Nahrungsquelle zu verbessern.

Pan-Genom-Erforschung von Petota Sorten

Diese Untersuchung umfasste die Zusammenstellung von sieben repräsentativen Genomen auf chromosomaler Ebene, wobei insgesamt 24,5 Gb an HiFi-Reads durch Hochdurchsatz-Chromatin-Konformationsfang (Hi-C) Technologie gewonnen wurden. Die Genomgrößen der zusammengestellten Repräsentanten reichten von 835,1 Mb bis 1,71 Gb. Mit dem Markov-Clustering-Algorithmus wurden die erwarteten 2.701.787 Gene gruppiert, um ein Pan-Genom zu erstellen, das aus 51.401 pan-genomischen Clustern besteht.

Phylogenetische Analyse von Petota und benachbarte Arten

Um die evolutionären Verbindungen zwischen Petota und seine nahen Verwandten Lycopersicon und EtuberosumPacBio-Langsequenzen wurden für die Außengruppen sequenziert. Solanum etuberosum und Solanum palustreDie De-novo-Assemblierung wurde durchgeführt, gefolgt von der Nutzung von Supermatrix- und Multispezies-Clustering-Techniken zur Ableitung interspezifischer phylogenetischer Bäume. Unter den 1.899 evolutionären Bäumen unterstützten 334 (17,6%) Etuberosum der Geschwisterzweig von PetotaZusätzlich erleichterte der D-Test die Identifizierung von erkennbaren Gen-Austausch zwischen Petota und Etuberosum.

Geografische Verbreitung und Phylogenie der Gattung Solanum. (Tang et al., 2022)

Erweiterung des Repertoires an Resistenzgenen

Wissenschaftler entwickelten ein Verfahren zur NLR-Annotation, das sie mit einem Tomaten-NLR-Datensatz validierten, der durch die Anreicherung von Resistenzgenen mittels Sequenzierung gewonnen wurde. Dieser Aufwand führte zu einer umfangreichen Zusammenstellung von 57.683 NLR-Genen. Die Anzahl der NLR-Kopien zeigte eine erhebliche Vielfalt zwischen verschiedenen Kartoffelsorten. Vorhersagen zeigten, dass Etuberosum und die Tomatengenome wiesen zwischen 280 und 344 NLRs auf, während die MTG-Assemblierung der Kartoffel eine deutliche Genamplifikation zeigte.

Evolution der Resistenzgene in Kartoffeln. (Tang et al., 2022)

Tuber homologe Gene

In Bezug auf tuber-homologe Gene entdeckte diese Studie insgesamt 149.663 spezifische CNSs für Kartoffeln, die sich über eine Länge von 6,9 Megabasen erstrecken. Davon befanden sich etwa 54,4 % innerhalb von Introns, was auf einen potenziellen Einfluss auf die Expression von 17.871 Genen hindeutet.

Im Bestreben, entscheidende Gene zu identifizieren, die mit der Knollenentwicklung verbunden sind, identifizierte die vorliegende Untersuchung 732 Gene mit ausgeprägter Expression in Stolen oder Knollen. Davon waren 229 Gene mit kartoffelspezifischen CNSs assoziiert. Unter diesen Genen wurden 28 als Transkriptionsfaktoren identifiziert, darunter ein einziges Mitglied der pflanzenspezifischen TCP-Transkriptionsfaktorfamilie (Soltu.DM.06G025210). Transkriptomdaten zeigten, dass dieses spezielle Gen eine ausgeprägte Expression in Kartoffelstolen aufwies.

Pan-Genome-gesteuerte Hybridzüchtung von Kartoffeln

Pionierarbeit in der pan-genom-gesteuerten hybriden Züchtung von Kartoffeln: Die Forscher entdeckten insgesamt 561.433 hochgradig zuverlässige strukturelle Variationen (SVs), die mehr als 50 Basenpaare groß sind, von denen etwa 55,5 % als selten klassifiziert wurden. Durch die Zusammenführung von Daten aus 20 einheimischen Arten und 4 Fällen von S. candolleanumEine Inversionskarte wurde sorgfältig erstellt. Eine intra-arm Inversion, die etwa 5,8 Megabasen umfasst, wurde auf Chromosom 3 kartiert. Innerhalb dieser Inversion wurde ein kritisches Gen identifiziert, das für die β-Carotin-Hydroxylierung verantwortlich ist und die Ansammlung von Zeaxanthin steuert, wodurch die charakteristische gelbe Färbung der Knolle entsteht. Dieses Gen war eng mit 464 anderen Genen verbunden, die sich innerhalb der Inversion befinden. Daher könnte die Wahl von Individuen mit gelbem Knollenfleisch aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen Eigenschaften unbeabsichtigt eine ausgeprägte Resistenz gegen unvorhergesehene phänotypische Merkmale auslösen. Die etablierte pan-genomische Inversionskarte gibt Züchtern nun die Möglichkeit, geeignete Spender- oder Empfängerstämme für den Rückkreuzungsprozess gezielt auszuwählen.

Pan-Genom-basierte Karte großer Inversionen. (Tang et al., 2022)

Zusammenfassung

Die Studie hat 44 Genome von außergewöhnlicher Qualität sowie eine umfassende genetische Vielfalt zutage gefördert. Diese Erkenntnisse dienen als wertvolle Ressourcen für die umfassende Verbesserung der Kartoffelzucht auf genomweiter Ebene. Darüber hinaus besitzen diese Ressourcen ein enormes Potenzial für die Schaffung eines umfassenden pan-genomischen Referenzsystems, das Genome und Variationen aus 44 verschiedenen Kartoffel-Germplasmata vereint. Bemerkenswert ist, dass die Enthüllung von IT1 und das komplexe Zusammenspiel mit dem Partnerfaktor SP6A eine entscheidende Rolle bei der Schaffung einer soliden Grundlage für das Verständnis der evolutionären Entwicklung der Knollenbildung spielen werden.

Als das PacBio-Plattform Bei der Expansion sinken die Kosten für HiFi-Sequenzierung. Diese Kostenreduktion ermöglicht die Einbeziehung des Pan-Genom-Baus in jedes durchgeführte Projekt.

Referenz:

1. Tang, Dié u. a. "Genom-Evolution und Vielfalt von wilden und kultivierten Kartoffeln." Natur 606.7914 (2022): 535-541.