Геном кукурузы рассказал о будущем биотоплива
Переоценить значение кукурузы для человечества сложно, как раз исходя из этого столь громадна радость биологов, закончивших четырёхлетний проект по расшифровке самого громадного генома растения. Всё мероприятие обошлось мировому сообществу в $31 миллион, но сейчас учёным будет легче узнать, как побороть голод, чем накормить животных и как создать лучшее биологическое топливо.
Кукуруза (Zea mays) вправду владеет очень долгой ДНК — 2,3 миллиарда пар оснований, это немногим меньше людской. Напомним, что в качестве главной была использована инбредная линия (inbred strain) маиса B73, обширно применяемая как в коммерческих, так и в научных целях.
Сейчас генетики взяли данные о 32 500 кодирующих белки генов, расположенных в различных частях 10 хромосом кукурузы. (В 2008 году было выдвинуто предположение, что генов порядка 50 тысяч, но сейчас многие эти были уточнены, и результаты пересмотрели.)
Главными мировыми производителями кукурузы являются США, Бразилия и Китай. Кстати, в Соединенных Штатах самый кукурузный штат – Айова.
Его так и именуют: «штат высокой кукурузы» (The Tall Corn State) (фото Stanford University).
Оказалось, что 85% генома составляют транспозоны (transposon), элементы, копирующие и вставляющие себя в случайном порядке на всей протяженности ДНК и вызывающие её мутации. Они очень сильно осложняют работу генетиков, запутывая учёных повторами в кодах.
Европа определила о существовании кукурузы только в XVI-XVII столетиях, что не помешало её массовому распространению. В СССР, да и в современной России, главным «кукурузным идеологом» считается, конечно же, Никита Хрущёв.
Имей он на руках современные эти, точно засадил бы кукурузой все поля: от средней полосы до Заполярья (фото New York Times, иллюстрация с сайта new-cccp.ru).
«То разнообразие, которое мы замечаем сейчас, есть следствием давешнего удвоения генома кукурузы. Пара миллионов лет назад показалось 20 хромосом, после этого неспешно часть ДНК была выкинута за ненадобностью. И растение возвратилось к начальному числу хромосом — 10», — говорит Дорин Уэйр (Doreen Ware), воображающая личную некоммерческую лабораторию CSHL.
До сих пор в геноме видятся до четырёх копий одного и того же гена. Но данный процесс, возможно, разрешил растению лучше приспособиться к изменяющимся условиям внешней среды.
Издание Science выпустил сходу пара статей по теме расшифровки генома кукурузы. Полный перечень тут (фото Science/AAAS).
«на данный момент у нас на руках необычное управление по эксплуатации, разрешающее установить, как нам вырастить лучшую в мире кукурузу, — говорит в пресс-релизе Ричард Уилсон (Richard Wilson), директор Центра расшифровки геномов университета Вашингтона в Сент-Луисе (Genome Sequencing Center), что и руководил всем процессом. – Зная размещение генов, несущих ответственность за те либо иные черты, мы можем вывести таковой тип растения, что будет идеально доходить под отечественные насущные потребности».
По окончании расшифровки «центрального» генома исследователи взялись за другие сорта, по окончании чего сравнили полученные эти. Так, Луис Эррера-Эстрелла (Luis Herrera-Estrella) и его коллеги из исследовательского центра мексиканского национального политехнического университета (CINVESTAV) занялись разновидностью Palomero. Она отделилась от B73 около девяти тысяч лет назад, приблизительно тогда, в то время, когда кукуруза была в первый раз одомашнена (культурные растения были выведены из дикорастущих представителей вида с неспециализированным заглавием Zea).
Маис – одно из самых востребованных в мире растений. Лишь США каждый год реализовывают кукурузы на $47 миллиардов (фото forestlady/flickr.com).
Геном Palomero приблизительно на 400 миллионов нуклеотидов «компактнее» и содержит на 20% меньше повторяющихся фрагментов ДНК, установили мексиканцы. «В данной разнице с лёгкостью помещаются три генома столь любимого биологами арабидопсиса либо один геном риса, — отмечает биолог Виргиния Уалбот (Virginia Walbot) из Стэнфорда, соавтор ещё одной статьи. — Эта отличие показалась во разведения кукурузы и времена одомашнивания».
Нынешняя кукуруза (справа) в отличие от собственного предка теосинте (teosinte) вряд ли выживет в природе, но она купила массу полезных для человека особенностей: початков стало меньше, но они стали больше, провалилась сквозь землю жёсткая оболочка (иллюстрация Nicolle Rager Fuller/National Science Foundation).
Команда Эрреры-Эстреллы нашла пара занимательных изюминок, говорящих об историческом наследии растения. И у B73, и у Palomero находились десятки генов, относящихся к борьбе с токсическим отравлением и природным стрессом тяжёлыми металлами, каковые отсутствовали у прародителя (теосинте – травы, произрастающей в Центральной Америке и Мексике). Это указывает, что они показались позднее.
Находке имеется логичное объяснение. Геологические эти говорят о том, что во время 8500-10 500 лет назад в транс-мексиканском вулканическом поясе происходили нередкие извержения вулканов (с сопутствующим выбросом тяжёлых металлов).
Так как данный регион близок к местам, где фактически и одомашнивалась культура, учёные высказали предположение, что вулканическая активность стала причиной трансформациям в окружающей среде, а они со своей стороны инициировали изменение и приспособление растений их генетического материала.
Интересные факты: у кукурузы приблизительно на треть больше генов, чем у человека, а отличия в ДНК двух растений из различных линий смогут быть больше, чем между человеком и шимпанзе (иллюстрация с сайта beckerinfo.net).
Следующая команда учёных изучила гаплотипы (haplotype) — родные группы генов, разделяющие происхождение разновидностей и общие 27 функции кукурузы. Под управлением генетика Эдуарда Баклера (Edward Buckler) из Работы сельскохозяйственных изучений США они удостоверились в надежности отдельные регионы ДНК, богатые генами. Так были изучены тысячи генов, расположенных недалеко от центров хромосом, каковые не могли в том месте появляться в ходе рекомбинации.
«Сейчас любой учёный может отыскать, где находится ген, что несёт ответственность за то либо иное свойство взрослого растения», – говорит Ричард Уилсон (фото с сайта zimmcomm.biz).
В это же время рекомбинация – для биологов очень важный процесс. Он разрешает селекционерам отобрать самые нужные характеристики, соединить их в одном растении (при помощи скрещивания отдельных инбредных линий). В следствии на свет появляются растения, владеющие лучшими особенностями собственных предков.
Без рекомбинации многие гены остаются вне доступа агрономов.
Патрик Шнабле (Patrick Schnable) и его коллеги из университета Айовы изучили различия в геномах инбредных линий B73 и Mo17. Они поняли, что в каждой ДНК присутствуют много генов, не видящиеся у «собрата». Благодаря нынешней серии изучений стало значительно легче взять растения высокого качества, достаточно объединить в гибриде лучшие гены от обоих этих своих родителей, подводит результат Баклер.
Учёные сравнивали, например, часть шестой хромосомы кукурузы линий B73 и Mo17. Видно, что на отрезке с 42,2 по 44,8 мегабазы присутствует особенно большое количество различий в положении пар оснований.
Красный – полное совпадение, светло синий – прекрасно сохранилось, тёмный – большое расхождение (иллюстрация PLoS Genetics).
Сейчас биологи смогут протестировать семена растений на необходимые ДНК-маркеры (DNA marker), установить присутствие определённых гаплотипов. У них не будет необходимости выращивать взрослые растения, чтобы выяснить, владеют ли они нужными для сельского хозяйства показателями (к примеру, высокой плодородностью, устойчивостью к засухам либо, напротив, сырости, низкой питательности земли).
Столетиями селекционеры и обычные крестьяне отбирали лучшие сорта кукурузы, дабы приобретать громадные вкусные початки. Сейчас Zea mays кроме этого употребляется для получения крахмала и масла, и как главный источник этанола. В будущем смогут пригодиться те качества культуры, о которых на данный момент и не вспоминают.
Как бы то ни было, «прочтённый геном разрешит создавать инструменты, каковые облегчат работу с растениями».
