Генетические ресурсы для улучшения бобовых культур: синтез прошлых исследований
Примерно в середине 1990-х годов Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) Организации Объединенных Наций создала список первичных импульсов, а два десятилетия спустя способствовала проведению Международного года импульсов (МГП) в 2016 году. МГП 2016 было объявлено признать важный вклад импульсов в благосостояние человека, а также в окружающую среду. Некоторые примеры этих импульсов и их доступные генетические и геномные ресурсы представлены в таблице 1 . Хотя некоторые из этих импульсных культур остаются недостаточно используемыми из-за таких факторов, как низкая продуктивность и ограниченные геномные ресурсы, некоторые из них в последнее время привлекают внимание ученых из-за их выносливости и пищевой ценности .
Известно, что симбиотические отношения между бобовыми и азотфиксирующими бактериями оказывают положительное влияние как на сельское хозяйство, так и на окружающую среду. Биологическая азотфиксация (BNF), единственное природное средство, которое превращает газообразный азот в аммиак и родственные соединения, играет ключевую роль в функциях почвы и биоразнообразии, круговороте питательных веществ и экосистемных услугах . Следовательно, расширение использования бобовых культур при одновременном повышении их эффективности использования азота может стать ключевым фактором достижения устойчивости сельского хозяйства . Несколько исследований показали, что коэволюция происходит между некоторыми бобовыми и ризобиями. Например, исследование, проведенное наблюдали профили адаптивной транскрипции на различных образцах сои, инокулированных ризобией. Было обнаружено, что ген innB , новый эффектор типа III видов Bradyrhizobium, контролирует симбиоз корневых клубеньков с бобами мунг .
До настоящего времени различные молекулярные подходы использовались для изучения роли различных сигналов бобовых в развитии клубеньков. Например, семейство Nuclear Factor Y (NF-Y) предназначалось для обыкновенного боба, и его транскрипционные факторы PvNF-YA1 и PvNF-YB7, как сообщалось, являются частью сети, которая усиливает образование клубеньков в бобовых . Несколько генетических и молекулярных анализов L. japonicus и G. max показали, что рецепторы Nod-фактора (NFR), которые опосредуют сигналы Nod-фактора у бобовых, являются определяющими факторами специфичности симбиоза . Эти достижения в понимании азотфиксации внутри бобовых культур могут помочь в создании путей для выращивания не бобовых азотфиксирующих культур посредством синтетической биологии или генной инженерии. Аналогичным образом, завершение секвенирования генома M. truncatula и G. max в начале 2010-х годов предоставило значительные возможности для расширения набора геномных инструментов у других бобовых, особенно с более сложными геномами .
Колебания окружающей среды в присутствии изменения климата могут подвергать сельскохозяйственные культуры различным стрессовым факторам, потенциально отрицательно влияющим на рост, развитие и урожайность некоторых видов. Например, сообщалось, что урожайность бобовых соевых бобов, продаваемых по всему миру, снизилась на 40% из-за биотических и абиотических стрессов, включая засуху, что также может снизить качество семян в этой культуре . Положительным моментом является то, что достижения в области генетической и метаболической инженерии за последние два десятилетия заложили прочную основу для фундаментальных и прикладных исследований сои, особенно для повышения ее устойчивости к климатическим стрессам и повысить его пищевую ценность в рамках значительных усилий по обеспечению глобальной потребности в биоформированных пищевых продуктах. Важно отметить, что в течение последнего десятилетия был проведен обширный генетический и геномный анализ других бобовых видов, и все большее число веб-ресурсов, связанных с генетикой и геномикой бобовых, становятся доступными. Более того, недавние исследования некоторых перспективных недостаточно используемых импульсных культур, таких как крылатые бобы и лаблаб, пролили свет на генетическую основу, лежащую в основе роста и развития этих видов. Таким образом, имеющиеся генетические и геномные ресурсы могут быть использованы для облегчения селекции устойчивых к изменению климата улучшенных сортов путем отбора с помощью маркера .
Будущие направления и основные проблемы генетических исследований бобовых культур
Последние разработки в области генетики и геномики бобовых культур проложили путь к дальнейшим программам улучшения в последующие годы. Опубликованные последовательности генома нескольких импульсных культур позволят будущим исследованиям удовлетворить различные исследовательские цели, особенно для сохранения генетического разнообразия импульсных культур, чтобы обеспечить запас вариации для будущих программ размножения. Тем не менее, для дальнейшего развития исследований в области импульсных культур потребуются более эффективные стратегии противостояния быстро меняющемуся миру.
Правдоподобные стратегии для улучшения бобовых культур
Существенное снижение стоимости секвенирования, которое произошло за последнее десятилетие, способствовало разработке нескольких проектов сборок генома для импульсных культур, таких как голубиный горох и обыкновенная фасоль . Аналогично, это стало относительно простым и понятным процессом для генерации транскриптомных сборок, генных предсказаний и других баз данных с поддержкой секвенирования. Однако ценность сгенерированных данных не может быть полностью реализована, пока не будут выполнены надежные аннотации. По мере того, как все больше генетических и геномных ресурсов становятся доступными по всему семейству бобовых, создание всеобъемлющих атласов ресурсов для всех видов бобовых является критически важным для облегчения бремени для исследователей, особенно когда требуется крупномасштабное отслеживание. Эти атласы будут особенно полезны для создания основанных на генах маркеров, которые связаны с определенными признаками, и для определения консервативных генов-кандидатов по видам, а также по генам, уникальным для определенного вида. Следует поощрять стандартизацию методов хранения данных и исследовательских структур для получения генетических и геномных данных.
Больше внимания следует уделять созданию пангеномов для поддержки нескольких эталонных геномов для одного вида бобовых, такого как соя. Также необходимо принять новые методы для стандартизированной обработки доступных пангеном. Возможно, это может быть достигнуто путем развития связей между исследовательскими сообществами, занимающимися разработкой пангеномов для импульсных культур. Кроме того, срочно требуются дальнейшие усилия для понимания эволюционных событий посредством межвидового сравнительного анализа. В то время как в предыдущих исследованиях сообщалось, что несколько родов бобовых, таких как Lupinus , Phaseolus и Vigna имеют множественные одомашнивания, и в целом остается неясным, являются ли молекулярные механизмы, лежащие в основе этих событий одомашнивания, общими или видоспецифичными. В случае недостаточно использованных зерновых культур, особенно тех, которые представляют ограниченные возможности финансирования, способность использовать генетическую информацию от хорошо охарактеризованных родственников может оказаться неоценимой.
Известно, что методы ускоренного размножения являются важным компонентом генетического улучшения урожая, который часто измеряется на основе генетических преимуществ за цикл отбора. Хотя многие современные инструменты для селекции и системы управления активно разрабатываются для бобовых и пищевых культур в целом, некоторым по-прежнему не хватает полной функциональности, которая требуется заводчикам. Например, хотя были разработаны сотни гаплотипов SNP , надежная визуализация этих гаплотипов для сравнения тесно связанных записей остается недоступной. Разнообразные коллекции генетических и геномных ресурсов важны для селекционеров, потому что они архивируют разнообразие, от которого зависит улучшение признака. Следовательно, разработка лучших средств для управления широко доступными текущими данными, касающимися потенциальных материалов для скрининга, необходима заводчикам при принятии решений о выборе. Другими словами, легкий доступ к конкретным данным из соответствующих источников позволил бы принимать точные решения в программе разведения. Короче говоря, дальнейшая характеристика и лучшее обслуживание коллекций зародышевой плазмы необходимо для максимального увеличения их полезности для устранения как текущих, так и будущих угроз для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Благодаря достижениям в мультиплексных молекулярных анализах можно расширить программы селекции, которые включают одну целевую характеристику для нескольких признаков, например, для улучшения как симбиотических характеристик, так и урожайности видов пульса в разных почвах.