Биологи завершили проект по расшифровке самого большого генома кукурузы. Теперь учёным будет легче выяснить, как побороть голод, чем накормить животных и как создать лучшее биотопливо.

 Переоценить значение кукурузы для человечества сложно, именно поэтому столь велика радость биологов, закончивших четырёхлетний проект по расшифровке самого большого генома растения. Всё мероприятие обошлось мировому сообществу в $31 миллион, зато теперь учёным будет легче выяснить, как побороть голод, чем накормить животных и как создать лучшее биотопливо. 

 Кукуруза (Zea mays) действительно обладает весьма длинной ДНК — 2,3 миллиарда пар оснований, это немногим меньше человеческой. Отметим, что в качестве основной была использована инбредная линия (inbred strain) маиса B73, широко используемая как в коммерческих, так и в научных целях.

Ныне генетики получили информацию о 32 500 кодирующих белки генов, расположенных в разных частях 10 хромосом кукурузы. (В 2008 году было выдвинуто предположение, что генов порядка 50 тысяч, но теперь многие данные были уточнены, и результаты пересмотрели.)

 Основными мировыми производителями кукурузы являются США, Китай и Бразилия. Кстати, в США самый кукурузный штат – Айова. Его так и называют: "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 по всей длине ДНК и вызывающие её мутации. Они сильно осложняют работу генетиков, запутывая учёных повторами в кодах.

Европа узнала о существовании кукурузы лишь в XVI-XVII веках, 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 данные, наверняка засадил бы кукурузой все поля: от средней полосы до Заполярья (фото New York Times, иллюстрация с сайта new-cccp.ru).

"То разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня, является следствием давнего удвоения генома кукурузы. Несколько миллионов лет назад появилось 20 хромосом, затем постепенно часть ДНК была выброшена за ненадобностью. И растение вернулось к первоначальному числу хромосом — 10", — рассказывает Дорин Уэйр (Doreen Ware), представляющая частную некоммерческую лабораторию CSHL. До сих пор в геноме встречаются до четырёх копий одного и того же гена. Однако этот процесс, вероятно, позволил растению лучше приспособиться к меняющимся условиям окружающей среды.


 

Журнал Science выпустил сразу несколько статей по теме расшифровки генома кукурузы. Полный список здесь (фото Science/AAAS).

"Сейчас у нас на руках своеобразное руководство по эксплуатации, позволяющее 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), который и руководил всем процессом. – Зная расположение генов, отвечающих за те или иные черты, мы можем вывести такой тип растения, который будет идеально подходить под наши насущные нужды".

После расшифровки "центрального" генома исследователи взялись за другие сорта, после чего сравнили полученные данные. Так, Луис Эррера-Эстрелла (Luis Herrera-Estrella) и его коллеги из исследовательского центра мексиканского национального политехнического института (CINVESTAV) занялись разновидностью Palomero. Она отделилась от B73 около девяти тысяч лет назад, примерно тогда, когда кукуруза была впервые одомашнена (культурные растения были выведены из дикорастущих представителей вида с

Маис – одно из самых востребованных в мире растений. Только США ежегодно продают кукурузы на $47 миллиардов (фото forestlady/flickr.com).

Геном Palomero примерно на 400 миллионов нуклеотидов "компактнее" и содержит на 20% меньше повторяющихся фрагментов ДНК, установили мексиканцы. "В этой разнице с лёгкостью помещаются три генома столь любимого биологами арабидопсиса или один геном риса, — отмечает биолог Виргиния Уалбот (Virginia Walbot) из Стэнфорда, соавтор ещё одной статьи. — Данная разница появилась во времена одомашнивания и разведения кукурузы".

Нынешняя кукуруза (справа) в отличие от своего предка теосинте (teosinte) вряд ли выживет в дикой природе, зато она приобрела массу ценных для человека свойств: початков стало меньше, но они стали крупнее, исчезла твёрдая оболочка (иллюстрация Nicolle Rager Fuller/National Science Foundation).

Команда Эрреры-Эстреллы обнаружила несколько интересных особенностей, рассказывающих об историческом наследии растения. И у B73, и у Palomero присутствовали десятки генов, относящихся к борьбе с природным стрессом и токсическим отравлением тяжёлыми металлами, которые отсутствовали у прародителя (теосинте – травы, произрастающей в Мексике и Центральной Америке). Это означает, что они появились позднее.

Находке есть логичное объяснение. Геологические данные свидетельствуют о том, что в период 8500-10 500 лет назад в транс-мексиканском вулканическом поясе происходили частые извержения вулканов (с сопутствующим выбросом тяжёлых металлов).

Так как этот регион близок к местам, где собственно и одомашнивалась культура, учёные предположили, что вулканическая активность привела к изменениям в окружающей среде, а они в свою очередь инициировали приспособление растений и изменение их генетического материала.

Любопытные факты: у кукурузы примерно на треть больше генов, чем у человека, а отличия в ДНК двух растений из разных линий могут быть больше, чем между человеком и шимпанзе (иллюстрация с сайта beckerinfo.net).

Следующая команда учёных изучила гаплотипы (haplotype) — близкие группы генов, разделяющие общие функции и происхождение 27 разновидностей кукурузы. Под руководством генетика Эдварда Баклера (Edward Buckler) из Службы сельскохозяйственных исследований США они проверили отдельные регионы ДНК, богатые генами. Таким образом были изучены тысячи генов, расположенных близ центров хромосом, которые не могли там оказаться в процессе рекомбинации. 
 
"Теперь любой учёный может найти, где находится ген, который отвечает за то или иное свойство взрослого растения", – говорит Ричард Уилсон (фото с сайта zimmcomm.biz).

Между тем рекомбинация – для биологов очень важный процесс. Он позволяет селекционерам отобрать наиболее нужные характеристики, соединить их в одном растении (посредством скрещивания отдельных инбредных линий). В результате на свет появляются растения, обладающие лучшими свойствами своих предков. Без рекомбинации многие гены остаются вне доступа агрономов.

Патрик Шнабле (Patrick Schnable) и его коллеги из университета Айовы исследовали различия в геномах инбредных линий B73 и Mo17. Они обнаружили, что в каждой ДНК присутствуют сотни генов, не встречающиеся у "собрата". Благодаря нынешней серии исследований стало гораздо легче получить растения очень высокого качества, достаточно объединить в гибриде лучшие гены от обоих этих родителей, подводит итог Баклер.

"Теперь любой учёный может найти, где находится ген, который отвечает за то или иное свойство взрослого растения", – говорит Ричард Уилсон (фото с сайта zimmcomm.biz).

Учёные сравнивали, к примеру, часть шестой хромосомы кукурузы линий B73 и Mo17. Видно, что на отрезке с 42,2 по 44,8 мегабазы присутствует особенно много различий в положении пар оснований. Красный – полное совпадение, синий – хорошо сохранилось, чёрный – значительное расхождение (иллюстрация PLoS Genetics).

Теперь биологи могут протестировать семена растений на нужные ДНК-маркеры (DNA marker), установить присутствие определённых гаплотипов. У них не будет необходимости выращивать взрослые растения, чтобы понять, обладают ли они нужными для сельского хозяйства признаками (например, высокой плодородностью, устойчивостью к засухам или, наоборот, сырости, низкой питательности почвы).

Веками обычные крестьяне и селекционеры отбирали лучшие сорта кукурузы, чтобы получать большие вкусные початки. Теперь Zea mays также используется для получения крахмала и масла, а также как основной источник этанола. В будущем могут понадобиться те качества культуры, о которых сейчас и не задумываются. Как бы то ни было, "прочитанный геном позволит создавать инструменты, которые облегчат работу с растениями".

Источник: www.membrana.ru