Внушительная последовательность генов ладанной сосны (Pinus taeda) была расшифрована интернациональной исследовательской группой, возглавляемой учёными из Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis). Эта сосна является одним из наиболее коммерчески важных видов деревьев в США и источником сырья для американской бумажной промышленности.
Её геном – крупнейшая последовательность и наиболее полный из расшифрованных на сегодняшний день геномов хвойных деревьев. Он содержит 22,18 миллиардов пар оснований, что в 7 раз больше, чем у человека. Секвенирование, правда, было проведено с помощью быстрого и эффективного аналитического метода.
Расшифрованная последовательность генов поможет учёным получить улучшенные сорта ладанной сосны, которые создаются для использования в качестве сырья для биотоплива. Также секвенирование генома поможет в понимании эволюции и биоразнообразия растений.
"Этот геном огромен, – говорит Дэвид Нил (David Neale), ботаник из Калифорнийского университета в Дэвисе, возглавивший исследование. – Однако задача не только в том, чтобы получить все данные о последовательностях. Необходимо ещё верно собрать их, привести последовательность в порядок".
Огромные размеры генома ладанной сосны до недавнего времени были препятствием для секвенирования. Однако теперь исследовательская группа использовала новый метод, который может ускорить сборку генома, сжимая необработанные данные о последовательности в сотню раз.
Современные методы секвенирования генома позволяют относительно легко читать отдельные "буквы" ДНК, но лишь в коротких фрагментах. В случае ладанной сосны нужно было сопоставить друг с другом 16 миллиардов отдельных фрагментов – настоящая вычислительная головоломка.
"Мы смогли собрать геном человека и это казалось пределом наших возможностей, – рассказывает Стивен Зальцберг (Steven Salzberg), профессор медицины и биостатистики из университета Джона Хопкинса. – Этот геном оказался в семь раз больше".
Для столь трудоёмкой задачи было решено использовать новый метод, разработанный специалистами из университета штата Мэриленд (University of Maryland), в котором данные последовательности предварительно обрабатываются, что устраняет избыточность и даёт в 100 раз меньше данных. Этот подход был испытан в данном исследовании впервые и позволил команде собрать гораздо более полную последовательность, нежели это удавалось другим исследовательским группам с другими хвойными породами.
"Размер участков последовательности, расшифрованных нами, на порядки больше, чем те, что были изучены когда-либо ранее", – сказал Нил, отметив при этом, что расшифрованный геном ладанной сосны значительно упростит работу грядущих проектов по расшифровке геномов хвойных.
Вся информация о ДНК ладанной сосны, полученная с начала проекта (с июня 2012 года), выкладывалась в открытый доступ, принося пользу научно-исследовательскому сообществу ещё до завершения и публикации результатов.
Секвенирование подтвердило, что 82% генома ладанной сосны составляют дублированные элементы ДНК и другие повторяющиеся фрагменты (у человека – всего 25%). Также учёным удалось выявить расположение и функции некоторых генов, например, тех, что могут быть вовлечены в борьбу с патогенами. Эта информация поможет изучить устойчивость растения к болезням.
Исследователи из лесной службы Южного института лесной генетики (Southern Institute for Forest Genetics) определили важный ген, обеспечивающий сопротивление фузиформной ржавчине – самой разрушительной болезни южных сосен. Молекулярное понимание генетической устойчивости – ценный инструмент для землепользователей, позволяющий выбирать те сосновые сеянцы, что будут развиваться в здоровые насаждения.
Как отмечают авторы работы, теперь, когда открыты её генетические тайны, ладанная сосна стала ещё более значимым для науки растением. С её помощью учёные надеются создать новые источники биомассы, а также разработать способы повышения поглощения растениями углекислого газа и, как следствие, смягчения последствий климатических изменений.
Научные статьи, освещающие основные результаты работы, опубликованы в изданиях Genetics (1 и 2) и Genome Biology.
