Genomikos naudojimas tiriant atsparių augalų evoliuciją
Čilės tyrėjai 1000 mylių atvežė skystame azote konservuotus augalų ir dirvožemio pavyzdžius į laboratoriją, kad sektų genus, išreikštus 32 dominuojančiose Atakamos augalų rūšyse, ir įvertintų su augalais susijusius dirvožemio mikrobus pagal DNR sekas. Jie nustatė, kad kai kurios augalų rūšys sukūrė augimą skatinančias bakterijas prie savo šaknų, tai yra adaptyvi strategija, skirta optimizuoti azoto – svarbios augalų augimui maistinės medžiagos – suvartojimą azoto neturtinguose Atakamos dirvožemiuose.
Norėdami nustatyti genus, kurių baltymų sekos buvo pritaikytos Atakamos rūšims, NYU mokslininkai atliko analizę, taikydami metodą, vadinamą filogenomika, kuria siekiama atkurti evoliucijos istoriją naudojant genominius duomenis. Pasikonsultavę su kolegomis iš Niujorko botanikos sodo, jie palygino 32 Atakamos augalų genomus su 32 nepritaikytomis, bet genetiškai panašiomis “seserėmis” rūšimis, taip pat keliomis modelių rūšimis.
„Tikslas buvo panaudoti šį evoliucinį medį, pagrįstą genomo sekomis, siekiant nustatyti aminorūgščių sekų, užkoduotų genuose, kurie palaiko Atakamos augalo prisitaikymo prie dykumos sąlygų evoliuciją, pokyčius“, – sakė Coruzzi.
„Ši skaičiavimo intensyvi genomo analizė apėmė 1 686 950 baltymų sekų palyginimą daugiau nei 70 rūšių. Mes panaudojome gautą 8 599 764 aminorūgščių supermatricą Atakamos rūšies evoliucijos istorijos filogenominei rekonstrukcijai“, – sakė Gil Eshel, atlikęs šią analizę naudodamas Didelio našumo skaičiavimo klasteris NYU.
Tyrimo metu buvo nustatyti 265 kandidatai genai, kurių baltymų sekos pokyčius atrinko evoliucijos jėgos keliose Atakamos rūšyse. Šios adaptyviosios mutacijos įvyko genuose, kurie galėjo būti augalų prisitaikymo prie dykumos sąlygų pagrindas, įskaitant genus, susijusius su atsaku į šviesą ir fotosintezę, o tai gali padėti augalams prisitaikyti prie itin didelės šviesos spinduliuotės Atakamoje. Panašiai mokslininkai atskleidė genus, susijusius su atsako į stresą, druskos, detoksikacijos ir metalų jonų reguliavimu, kurie gali būti susiję su šių Atakamos augalų prisitaikymu prie stresinės, maistinių medžiagų skurdžios aplinkos.
Ko galime pasimokyti iš šios „genetinės aukso kasyklos“
Dauguma mokslinių žinių apie augalų reakciją į stresą ir toleranciją buvo sukauptos atliekant tradicinius laboratorinius tyrimus, naudojant keletą modelių rūšių. Nors tokie molekuliniai tyrimai yra naudingi, jie greičiausiai nepaiso ekologinio konteksto, kuriame augalai vystėsi.
„Tirdami ekosistemą natūralioje aplinkoje galėjome identifikuoti prisitaikančius genus ir molekulinius procesus tarp rūšių, kurios susiduria su įprasta atšiauria aplinka“, – sakė Viviana Araus iš Pontificia Universidad Católica de Chile Gutierrez laboratorijoje ir buvusi NYU doktorantė. Genomikos ir sistemų biologijos centras.
„Dauguma augalų rūšių, kurias apibūdinome šiame tyrime, anksčiau nebuvo ištirtos. Kadangi kai kurie Atakamos augalai yra glaudžiai susiję su pagrindiniais augalais, įskaitant grūdus, ankštinius augalus ir bulves, mūsų nustatyti genai kandidatai yra genetinė aukso kasykla, leidžianti sukurti atsparesnius augalus, o tai būtina atsižvelgiant į didėjantį mūsų planetos dykumėjimą“, – sakė Gutiérrezas.
Be Gutiérrezo ir Araus, jų bendradarbiai Čilėje buvo Claudio Latorre iš Pontificia Universidad Católica de Chile ir Mauricio González iš Čilės universiteto. Coruzzi ir Eshel NYU dirbo kurdami filogenominį vamzdyną ir analizę su bendradarbiais JAV, įskaitant Kranthi Varala iš Purdue universiteto, Dennisą Stevensoną iš Niujorko botanikos sodo, Robą DeSalle’ą iš Amerikos gamtos istorijos muziejaus ir jų narius. tyrimų grupės.
Šį darbą parėmė Fondo de Desarrollo de Areas Prioritarias (FONDAP) Genomo reguliavimo centras (15090007) Čilėje, o JAV Zegar Family Foundation (A160051) ir Energetikos biologinių ir aplinkos tyrimų departamento dotacija (DE). -SC0014377).