Итальянское просо служит подсказкой на пути к производству биотоплива

Зачастую внедрение фрагментов ДНК в геномную последовательность может быть таким же проблематичным, как, например, складывание мозаики– исключая лишь то, что у ученых нет картинки, которая давала бы представление о конечном результате. Иногда подсказка содержится в других общедоступных последовательностях ДНК родственных организмов, которые можно использовать в качестве руководства по сборке, но их пригодность зависит от того, насколько близки друг к другу любые две последовательности.

Например, эталонный геном может быть так же далек от внедряемого, как модель Форд-Т, выпускавшаяся в1913-1927 годах,далека от современного автомобиля с гибридным приводом.

Для ученых, занимающихся просом прутьевидным, - многолетней травой, которую Министерство энергетики США рассматривает в качестве будущего источника биотоплива - внедрение генома этого растения представляет еще большую сложность, чем обычно, поскольку просо характеризуется наличиемдубликатов хромосом.

Ученым из Объединенного института геномов Министерства энергетики, совместно с партнерами из Биоэнергетического научного центра и Объединенного института биоэнергетики, двумя из трех Центров исследования биоэнергии Министерства энергетики США, удалось секвенировать растительные геномы родственных зерновых - а именно сорго и травы Brachypodium, - которые в будущем, возможно, станут источниками биотоплива.

Оба эти растения использовались в качестве эталона для проса прутьевидного, тем не менее, у сорго с просом был общий предок более 20 миллионов лет назад, а у Brachypodium– 50 миллионов лет назад. Геном намного более близкого к просу прутьевидному растения проса итальянского (Setariaitalica) описан в журнале «NatureBiotechnology». Описания всех трех геномов, наряду с геномами других растений, секвенированными в Объединенном институте геномов, доступны на сайте www.phytozome.net.

«Мы не считаем Setariaзлаком-источником биотопливав чистом виде, но рассматриваем его в качестве источника информации, так как его геном очень близок по структуре к просу прутьевидному», - объяснил Джефф Беннетцен, ученый из Биоэнергетического научного центра, один из авторов первых исследований на эту тему и профессор университета Джорджии. Он первым предложил Объединенному институту геномов секвенировать геном проса итальянского по Программе секвенирования родственных геномов в 2008году.

Одним из препятствий в исследовании возможностей использования трав в качестве источника биотоплива является то, что они обычно имеют долгий жизненный цикл и сложные геномы. Джереми Шмуц, руководитель Программы по растениямОбъединенного института геномов в Институте Биотехнологий Гудзон-Альфа, отметил, что просо итальянское предпочтительнее использовать в качестве эталона по нескольким причинам. Это компактный геном, размером приблизительно в полмиллиарда пар нуклеотидов, и его можно выращивать в больших количествах на небольших площадях в течение нескольких месяцев.

Шмуц заявил, что около 80% генома проса итальянского было внедрено при помощи испытанной платформы для секвенирования Сангера, а также более 95% пространства гена – функциональных областей генома. «Геном Setariaявляется высококачественным эталонным геномом, – считает ученый. – Если вы хотите провести функциональное исследование, требующее точного знания всех генов и их расположения относительно друг друга, используйте именно этот геном».

Одной из областей исследования является адаптация. Поскольку Setariaвстречается повсеместно, она считается хорошей моделью для изучения адаптации растений и их выживания в различных климатических условиях.

К тому же,у проса итальянскогоавтономно развился процесс фотосинтеза, отличный от характерного для маиса и сорго. В своем докладе группа ученых отметила: «Секвенирование генома Setariaдало эволюционным генетикам однолетнюю, произрастающую в умеренной климатической зоне С₄-траву, устойчивую к засухе и низким температурам, которую вполне можно поставить в один ряд с другими растениями, выработавшими или нет подобные адаптационные механизмы». С₄-растения способны осуществлять фотосинтез быстрее, чем С₃-растения, в условиях хорошей освещенности и высоких температур.

Шмуц также отметил, что геном Setariaявляется хорошей экспериментальной моделью для изучения свойств проса прутьевидного – таких как образование клеточной оболочки – в лабораторных условиях. Будучи членом Биоэнергетического научного центра Министерства энергетики, Беннетцен объяснил, как геном Setariaоказался полезен в одном из биоэнергетических проектов его команды: «Самым сложным в производстве биотоплива является превращение лигноцеллюлозы в моносахариды.Мы уделяем особое внимание свойствам, связанным с пониженной устойчивостью (например, более простой доступ к сахарам) и ищем вариации, которые изменяют строение клеточной оболочки. Если это сработает с Setaria, это сработает и с просом прутьевидным».

Для Тома Брутнелла, соавтора исследования и директора Института предпринимательства в области возобновляемых видов топлива Центра растений Дональда Данфорта, геном Setariaявляется отправной точкой собственного исследования: «Сейчас, когда у нас есть секвенированный геном, мы можем ускорить развитие генетического инструментария для Setaria».

Его предложение по Программе секвенирования родственных геномов Объединенного института геномов Министерства энергетики США на 2012 г. строится на возможности использования двух геномов Setaria, а именно генома проса итальянского и его дикого предка щетинника зеленого (S. viridis), также описанного в исследовании. «Нашей целью является Arabidopsisдля трав семейства Panicoid», - заявил он касательно используемого большинством ученых распространенного растения.

«Щетинник зеленый меньше проса итальянского – он зацветает, достигая высоты 15 см, и от момента, когда растение еще является семенем, до момента, когда оно уже само дает семена, проходит 6-8 недель. Просо итальянское, напротив, подходит идеально, так как оно выше, имеет более продолжительное время генерации –4 месяца, – и никто еще не разработал для него эффективные методы преобразования. Наш с Объединенным институтом геномов проект позволяет использовать геномы Setariaдля того, чтобы ускорить исследования с использованием S. viridisв качестве эталонной генетической системы».

Майкл Фрилинг, ученый из Калифорнийского университета в Беркли, работающий в области сравнительной геномики растений, уверен, что геном Setaria«увеличивает значимость трав как единой генетической системы, и сообществу биологов, работающих с растениями, крайне повезло, что Объединенному институту геномов Министерства энергетики США удалось провести это пробное секвенирование». Он также добавил, что положение проса итальянского на филогенетическом дереве трав крайне важное.

«Оно достаточно далеко от риса, чтобы исключить нефункциональные секвенции, но не так далеко, чтобы можно было не заметить мелкие регулирующие механизмы. Будучи родственным семейству злаковых маиса и сорго, Setariaявляется очень ценным отдельным видом. Кроме того, Setariaотносится к таким травам, у которых типы фотосинтеза С3 и С4 практически взаимозаменяемы, так что требуется более детальное изучение. Тип фотосинтеза С4 особенно эффективен в силу того, что растение обладает необычной анатомией, включая наличие обкладки сосудистых пучков. Setariaна сегодняшний день является эталоном для всех других растений семейства, включая просо прутьевидное.

Данное исследование не только является важным шагом на пути к нашей цели сделать производство биотоплива из лингоцеллюлозных зерновых, например, проса прутьевидного, менее затратным – оно также служит иллюстрацией того, как сотрудничество между такими организациями, как Биоэнергетический научный центр, Объединенный институт биоэнергетики и Объединенный институт геномов может значительно расширить границы исследований растений, проводимых всем биологическим сообществом», - заявил директор Биоэнергетического научного центра Пол Гилна.

http://www.biofueldaily.com/reports/Relative_reference_Foxtail_millet_offers_clues_for_assembling_the_switchgrass_genome_999.html