Ученые расшифровали геном ячменя

Ячмень — один из древнейших культурных злаков (Poaceae), возделывание которого ассоциируется с началом развития сельского хозяйства около 10 тысяч лет назад. Сейчас зерно растения широко используется в кормовых и продовольственных целях, например при производстве круп и алкоголя. При этом его геном изучен недостаточно. Исследования ячменя стали возможны с 2012 года, когда ученые получили черновую версию сборки генома, однако до сих пор его финиширование не проводилось. Полную сборку ограничивали высокое содержание геномных повторов (последовательностей с неясной локализацией) и низкая частота мейотической рекомбинации, с которой связана эволюция организма. Таким образом, мишени для селекции растения долгое время оставались неизвестны.

В новой работе коллаборация 77 авторов из США, Австралии, Италии, Великобритании и других стран описала итоги первого финиширования генома растения из трибы пшеницевых (Triticeae), в частности ячменя сорта Morex. На первом этапе с помощью методов секвенирования нового поколения (техник секвенирования спаренных концов Illumina и Mate Pair) генетики собрали 87 075 искусственных бактериальных хромосом (BAC), в которые вставили короткие цепочки ДНК ячменя. Затем фрагменты BAC объединили в длинные последовательности (скаффолды), что увеличило число спаренных оснований с 79 тысяч пар до 1,9 миллиона. После прочтения методом Hi-C скаффолды выравнивались, формируя полную последовательность генома растения.

Анализ показал, что итоговая последовательность состоит из 6347 скаффолдов, или 4,54 миллиарда спаренных оснований, и включает в себя 83 105 возможных локусов, в том числе некодирующие РНК (19 908 длинных некодирующих РНК), микроРНК (792 локуса), гены, кодирующие белки, и псевдогены. После дополнительной фильтрации авторы выделили 39 734 гена с высокой достоверностью результатов и 41 949 генов с низкой достоверностью, объясняющих 98 процентов генома Hordeum vulgare. Оценка его трехмерной организации также позволила выявить повышенную частоту контактов между локусами, расположенными на расстоянии 200 миллионов спаренных оснований, и выраженную антидиагональную структуру матрицы этих контактов.

В сочетании с данными флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) это указывает на то, что интерфазные хромосомы ячменя на этапе митоза имеют так называемую Rabl-ориентацию: прицентромерный гетерохроматин и центромеры хромосом в этом случае группируются в одной зоне ядра с плечами, параллельными друг другу, тогда как их свободные концы сцеплены в противоположной зоне ядра. Rabl-ориентация интерфазных хромосом наблюдается у животных и растений с быстро делящимися соматическими клетками. По словам авторов, финиширование сборки может помочь в выведении улучшенных сортов ячменя, например с повышенным генетическим разнообразием, и изучении других культур, таких как рис, кукуруза и овес. Кроме того, полученные данные облегчат дальнейшие исследования генома растений.

Статья опубликована в журнале Nature.

В январе американские исследователи полностью расшифровали геном арабики. Ожидается, что это позволит прояснить ароматические и иные свойства растения, а также повысить его устойчивость к экологическому стрессу.