Erforschung struktureller Variationen durch die Pan-Genom-Karte der Tomate

Genomweite Assoziationsanalyse (GWAS) dient als ein leistungsstarkes Werkzeug zur Identifizierung von Genen, die mit Merkmalen assoziiert sind, und spielt eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung potenzieller genomischer Loci, die phänotypische Variationen beeinflussen. Traditionelle GWAS stützt sich jedoch hauptsächlich auf Informationen von einzelne Nukleotidvarianten (SNPs) um Assoziationen mit Phänotypen herzustellen, wobei erhebliche strukturelle Varianten (SVs) mit deutlich größeren phänotypischen Effektgrößen vernachlässigt werden. Obwohl die Gesamtzahl der SVs im Genom geringer ist als die der SNPs, umfassen SVs einen umfangreicheren Bereich von Basen und beeinflussen eine signifikant größere Gesamtzahl von genomischen Sequenzvariationen als SNPs.

Im Gegensatz zu sequenzpolymorphen Varianten können strukturelle Varianten einen tiefgreifenderen Einfluss auf die Genome und genetischen Merkmale von Pflanzen und Tieren ausüben. Besonders hervorzuheben ist, SV-basierte GWAS-Analysen haben weit verbreitete Anwendung in verschiedenen Arten gefunden, einschließlich Mais, Gurke, Traube, Weizen und Tomate.

Genom der Tomate

In einer aktuellen Veröffentlichung in Naturgenetik mit dem Titel "Super-Pangenom-Analysen heben genomische Vielfalt und strukturelle Variation bei wilden und kultivierten Tomatenspezies hervor", haben sie 11 Chromosomenebene, hochwertige Genome aus wilden und kultivierten Tomatensorten. Dieser Aufwand führte zur Schaffung des weltweit ersten Super-Pangenoms für Tomaten, was einen bahnbrechenden Fortschritt ermöglichte. SV-GWAS-Analyse basierend auf den Pangenom-Profilen. Die Ergebnisse dieser Studie werden voraussichtlich die biologische Forschung und die Züchtung von Tomaten, einer global wichtigen Kulturpflanze, erheblich beschleunigen.

Insgesamt wurden 11 Tomatensorten beschafft, darunter 8 Wildtyp-Varianten, 1 nahezu wilde Tomatensorte und 2 kultivierte Sorten, für diese Studie. Mithilfe fortschrittlicher Sequenzierungstechnologien wie PacBio und Hi-C wurden die Genome dieser 11 Tomatensorten sorgfältig auf Chromosomenebene zusammengefügt. Anschließend wurde ein Super-Pan-Genom erstellt, das die genetischen Profile aller 11 Tomatengenome integrierte. Dieses konsolidierte Genom diente als Grundlage für die Analyse struktureller Variationen im Kontext struktureller Varianten (SV).

Phylogenetische Beziehungen und genomische Komponenten von wilden und domestizierten Tomaten. (Li et al., 2023)

Super-Pangenom von Tomaten

Die Untersuchung leitete die Zusammenstellung eines umfassenden Super-Pangenoms für Tomaten ein, das 11 Solanum-Arten umfasst. Durch die Nutzung von Clusteranalysen enthüllte die Studie 40.457 Pan-Genfamilien, die protein-codierende Gene aus 11 Genomen auf Chromosomenebene und zwei zuvor veröffentlichten Genomen aggregierten. Aus den berichteten Tomaten-PangenomVon den 4.874 nicht-intronischen Genen wurden 3.441 integriert, während zusätzlich 9.320 nicht redundante Gene identifiziert wurden, die im berichteten Pan-Genom fehlen.

Die vergleichende Genomanalyse offenbarte 2,0-8,193 Milliarden SNPs und 0,6-1,5 Millionen kleine InDels (≤50 bp) über 12 Tomatengenome. Darüber hinaus identifizierte die Studie 103.333 Insertionen, 119.794 Deletionen, 41.960 CNVs, 23.516 Translokationen und 1.320 Retrograde (< 1 Mb Länge) innerhalb der 12 Tomatengenbanken. Bemerkenswert ist, dass die Studie zuvor berichtete SVs, die mit phänotypischer Variation assoziiert sind, genau nachweisen konnte. Im Gegensatz zu früheren Tomaten-Pan-SV-Kartierungen identifizierte die Studie ausschließlich 180.314 SVs, was zu einer Gesamtzahl von 224.447 SVs beiträgt.

Die Integration dieser identifizierten SVs mit einem pan-SV-Datensatz (der 112 Tomatensorten umfasst) erleichterte die Untersuchung der SV-Unterschiede in der Tomatenevolution. Die Unterteilung der 112 Sorten in vier Gruppen zeigte, dass die Mehrheit der SVs in allen Gruppen in niedrigen Frequenzen (weniger als 0,25) auftrat. Interessanterweise wiesen 8.094 SVs signifikante Frequenzvariationen zwischen wilden und kultivierten Gruppen auf. Die funktionale Analyse hob die Beteiligung dieser Gene an Prozessen wie der Entwicklung meristematischer Gewebe und dem Ammoniumtransport hervor. Darüber hinaus wurden 388 hochdifferenzierte SVs zwischen wilden und kultivierten Tomaten identifiziert, was unser Verständnis der genetischen Evolution der Tomate um eine nuancierte Ebene erweitert.

Super-Pangenom und die Landschaft der strukturellen Variation zwischen wilden und kultivierten Tomaten. (Li et al., 2023)

Aufdeckung entscheidender Gene zur Steigerung des Tomatenertrags

Im Vergleich zwischen wilden und kultivierten Tomatensorten identifizierte diese Untersuchung 388 strukturelle Variationen (SVs), die 278 Gene erheblich beeinflussten. Besonders bemerkenswert war eine signifikante Veränderung in der Häufigkeit einer Deletion von 244 Basenpaaren, die an zweiter Stelle stand und im ersten Exon des Sgal12g015720 Dieses Gen kodiert ein Protein, das zur Cytochrom P450 (CYP) Superfamilie gehört, die für ihre entscheidende Rolle im Pflanzenwachstum, in der Entwicklung und in der Biosynthese von sekundären Metaboliten bekannt ist. Sgal12g015720 zeigten die höchsten Expressionsniveaus in den Stängeln der wilden Tomate, S. pennellii, während seine Expression in den beiden kultivierten Tomatenspezies nahezu vernachlässigbar war.

Das Auftreten des 244-Basenpaar-Löschereignisses wird als Nebenprodukt der Tomatendomestikation hypothesiert, was zur Pseudogenisierung des Sgal12g015720 Gen in kultivierten Tomaten. Dieses Ereignis hat potenzielle Bedeutung für die Regulierung der Pflanzenhöhe und des Ertrags im Verlauf der Tomatenzüchtung. Nachfolgende Studien bestätigten diese Hypothese durch experimentelle Analysen, die die Überexpression des Gens beinhalteten. Die Ergebnisse unterstreichen die zentrale Rolle von Sgal12g015720 bei der Gestaltung des Tomatenertrags und beleuchtet dessen potenzielle Anwendung in zukünftigen Zuchtstrategien.

Charakterisierung eines Cytochrom P450-Gens von Wildtomaten, Sgal12g015720. (Li et al., 2023)

Diese Studie präsentiert die Chromosomen-genauen Genome von neun Wildtomatenspezies und zwei Sorten, die mit zwei zuvor veröffentlichten Genomen kombiniert werden, um die Phylogenie der Tomate zu enthüllen. Durch diesen umfassenden Ansatz wird ein Super-Pan-Genom Für Tomaten wurde eine Untersuchung durchgeführt. Die Untersuchung beschäftigte sich mit den strukturellen Variationen im Tomatengenom und beleuchtete die genetische Vielfalt, die in den wilden Verwandten der Tomaten vorhanden ist. Besonders bemerkenswert war, dass die Studie zur Identifizierung eines Wildtomatengens führte, das vielversprechendes Potenzial zur Steigerung des Ertrags bei modernen kultivierten Tomaten aufweist.

Der kartenbasierte Genomkonstruktion diente als Grundlage für die Durchführung von strukturellen Variations (SV)-basierten genomweiten Assoziationsstudien, die zahlreiche Signale aufdeckten, die eng mit geschmacklichen Eigenschaften und Fruchtmetaboliten in Tomaten verbunden sind. Diese ganzheitliche Untersuchung liefert wertvolle Einblicke in die genetischen Faktoren, die die Eigenschaften von Tomaten beeinflussen, und bietet einen Weg, dieses Wissen zur Verbesserung der Ernteerträge und zur Optimierung der Geschmacksprofile zu nutzen.

Referenz:

1. Li, N., He, Q., Wang, J. u. a. Super-Pangenom-Analysen heben die genomische Vielfalt und strukturelle Variation zwischen wilden und kultivierten Tomatensorten hervor. Nat Genet 55, 852–860 (2023).