Когда примерно в 2007 году появилось секвенирование следующего поколения, стало возможным относительно быстро и дешево секвенировать геномы. Человеческие генетики быстро разработали проект секвенирования 1000 геномов для каталогизации генетических вариаций человека.
Чтобы не отставать, биологи растений решили, что «если у наших коллег будет тысяча геномов, то у нас должен быть по крайней мере тысяча и один геном», — пошутил Детлеф Вайгель, директор Института биологии развития им. Макса Планка в Германии. со-руководил проектом 1001 геном.
Но секвенирование генома только часть истории — исследователи пошли дальше и секвенировали транскриптом и метилом этих растений.С новыми данными можно ответить на многие вопросы об эволюции и адаптации растений. «Это мощный генератор гипотез с точки зрения попыток понять, что происходит в мире природы», — объяснил Медицинский институт Говарда Хьюза (HHMI) и Исследователь Фонда Гордона и Бетти Мур (GBMF) Джо Экер, биолог растений из Института Солка, который руководил проект 1001 эпигеном. «В прошлом мы сделали мутации почти во всех генах в лаборатории. Но здесь вы видите как тонкие, так и не очень тонкие варианты, как генетические, так и эпигенетические, которые были получены из дикой природы».
Таким образом, это дает возможность ученым, интересующимся, например, тем, как дикие растения адаптируются к изменению климата.«[Исследователи] будут иметь инструменты, чтобы посмотреть, какие естественные вариации существуют в интересующем гене», — сказал Магнус Нордборг, директор Института Грегора Менделя в Австрии, который был одним из руководителей проекта «1001 геном». «Конечная цель — отойти от эталонного генома и получить полную картину всех генетических вариаций — и всего, с чем они связаны».
Два новых исследования, которые будут опубликованы вместе в выпуске Cell от 14 июля 2016 года, показывают, что примерно 25 процентов генов в геноме Arabidopsis демонстрируют разнообразие в своем состоянии метилирования. Метилирование, добавление метильных групп к цепи ДНК, связано с подавлением мобильных элементов, «прыгающих генов» в геноме. «Метилирование также может изменять экспрессию гена, например, блокируя фактор транскрипции от попадания на промотор гена и его активации», — сказала Кэрол Хуанг, вычислительный биолог из Института Солка, со-руководившая исследованием эпигеномов.Исследователи также обнаружили, что геном и эпигеном тесно взаимодействуют друг с другом. «Есть гены, которые контролируют эпигеном у этих различных растений, — объяснил Экер, — и варианты этих генов потенциально изменяют эпигеном таким образом, чтобы помочь растению лучше выжить в определенных условиях». Тайджи Кавакацу, биолог растений из Института Солка, в настоящее время работающий в Национальном институте агробиологических наук в Японии, который был одним из руководителей работы, добавил: «Эти гены также могут играть роль в создании специфичных для клеточного типа паттернов эпигенома и межвидового эпигенома. разнообразие."
Хотя исследователи и раньше искали такие связи между геномом и эпигеномом, исследования были ограничены меньшими размерами выборки. «Имея 1000 образцов, мы можем измерить, насколько вариабельность метилирования может быть объяснена генетическими вариантами», — сказал Эрико Сасаки, популяционный генетик из Института Грегора Менделя в Австрии, который был одним из руководителей анализа эпигеномов. «Это дает нам гораздо лучшее количественное представление о взаимодействии между генетическими вариациями и метилированием».Еще одна поразительная особенность, которую они обнаружили, заключалась в том, что гены, участвующие в иммунитете, демонстрируют больше генетических и эпигенетических вариаций, чем другие классы генов. Гены иммунитета имеют не только небольшие мутации, но также «вариабельные эпиаллельные состояния и связаны с крупномасштабными структурными перестройками и мобильными элементами», — сказал Флориан Юп, биолог растений из Института Солка, который был одним из руководителей проекта эпигеномов.Исследователи также заметили корреляцию генетических и эпигенетических вариантов с климатом и географическим положением.
Они работают, чтобы определить, какие гены и эпигенетические маркеры позволяют конкретному сорту процветать в конкретной среде. «Растения, вероятно, являются одними из лучших организмов для изучения адаптации: когда растения помещаются в новую среду, они должны быстро адаптироваться, потому что им некуда деться», — объяснила исследователь HHMI Джоанн Чори, биолог растений из Института Солка. не принимал участия в исследовании. «Я думаю, что растения — единственное место, где вы действительно можете сопоставить генотип с фенотипом и приспособленностью. Это очень сложно сделать на людях … если они смогут понять это в мире растений, это будет огромным вкладом в понимание многоклеточной жизни. в общем, — сказал Чори.
Новый набор данных также послужит источником вдохновения для селекционеров растений, которые обычно сосредотачиваются на генетических маркерах для отбора интересующих генов. «Селекционеры потенциально могут использовать эпигенетическую информацию так же, как они используют генетическую информацию для отбора признаков; теперь можно проверить силу такого подхода», — сказал Экер. «Помимо полезности отдельных генов, им следует обратить внимание на идею о том, что существуют эпигенетические варианты, на которые можно производить отбор», — сказал он.