Ett enda referensgenom är inte tillräckligt för att utnyttja den fullständiga genetiska variationen av en art så pan-genom av grödor skulle vara extremt användbara. Den fenotypiska mångfalden av Brachypodium-växter visas i denna bild, som är associerad med ett pressmeddelande för en Nature Communications-tidning där ett internationellt team ledd av forskare från DOE Joint Genome Institute mätte storleken på ett växt-pangenom med hjälp av modellgräset Brachypodium distachyon . Kredit:John Vogel
Mycket av forskningen inom området växtfunktionell genomik har hittills förlitat sig på tillvägagångssätt baserade på enstaka referensgenom. Men i och för sig, ett enda referensgenom fångar inte den fullständiga genetiska variationen hos en art. Ett pan-genom, den icke-redundanta föreningen av alla uppsättningar gener som finns i individer av en art, är en värdefull resurs för att frigöra naturlig mångfald. Dock, de beräkningsresurser som krävs för att producera ett stort antal högkvalitativa genomsammansättningar har varit en begränsande faktor för att skapa växtpan-genom.
Att ha växtpangenom för grödor som är viktiga för bränsle- och livsmedelstillämpningar skulle göra det möjligt för uppfödare att utnyttja naturlig mångfald för att förbättra egenskaper som skörd, sjukdomsresistens, och tolerans för marginella odlingsförhållanden. I en tidning publicerad den 19 december, 2017 in Naturkommunikation , ett internationellt team ledd av forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science User Facility vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), mätt storleken på en växt pan-genom med hjälp av Brachypodium distachyon , ett vilt gräs som ofta används som modell för spannmåls- och biomassagrödor. Som ett av JGI:s växtflaggskeppsgenom, B. distachyon rankas bland de mest kompletta växtreferensgenomen.
"Det finns ett stort antal gener som inte fångas i ett enda referensgenom, " tillade studie senior författare John Vogel, chef för JGI:s Plant Functional Genomics-grupp. "Verkligen, ungefär hälften av generna i pan-genomet finns i ett varierande antal linjer." Arbetar mot det primära målet att noggrant uppskatta storleken på ett växt-pan-genom, Vogel och hans kollegor utförde sammansättning av hela genomet de novo och anteckningar av 54 geografiskt olika linjer av B. distachyon , vilket ger ett pan-genom som innehåller nästan dubbelt så många gener som finns i varje enskild linje.
"En arts genom är en samling av genom, var och en med sin egen unika twist, ", tillade JGI bioinformatiker och studieförste författare Sean Gordon. "Nu vet man att fokus på ett enda referensgenom leder till ofullständiga och partiska uppskattningar av genetisk mångfald och ignorerar gener som potentiellt är viktiga för avelstillämpningar, vi borde bättre införliva flera referenser i framtida studier av naturlig mångfald."
Dessutom, gener som bara finns i vissa linjer tenderar att bidra till biologiska processer (t.ex. sjukdomsresistens, utveckling) som kan vara fördelaktigt under vissa miljöförhållanden, medan gener som finns i varje linje vanligtvis stöder väsentliga cellulära processer (t.ex. glykolys, järntransport).
"Detta innebär att de variabla generna företrädesvis behålls om de är fördelaktiga under vissa förhållanden. Det är exakt de typer av gener som uppfödare behöver för att förbättra grödor." sa Vogel.
Dessutom, gener som bara finns i en delmängd av linjer visade snabbare evolution, ligga närmare transponerbara element (tänks spela en nyckelroll i pan-genomevolutionen), och var mindre sannolikt att hittas på samma kromosomala plats som funktionellt ekvivalenta gener i andra gräs.
Sekvenssammansättningarna, genkommentarer och relaterad information kan laddas ner från projektets webbplats BrachyPan:brachypan.jgi.doe.gov. De Brachypodium distachyon genomet är tillgängligt på JGI Plant Portal Phytozome:phytozome.jgi.doe.gov.
