Сладкий картофель (батат, кумара, лат. Ipomea) кормит миллионы людей по всему миру, особенно в странах Африки к югу от Сахары, где его природная устойчивость к экстремальным климатическим условиям проявляется в полной мере. Однако этот скромный корнеплод десятилетиями хранил свои «секреты». Сегодня ученые наконец расшифровали его сложный геном, раскрыв историю происхождения и предоставив аграриям мощные инструменты для улучшения этой жизненно важной культуры.
ДНК батата необычайно сложна. В то время как у человека два набора хромосом – по одному от каждого родителя, у батата их шесть. Это состояние, называемое гексаплоидия, превращает расшифровку его кода в попытку воссоздать шесть разных, но похожих наборов энциклопедий, перемешанных вместе.
Команда под руководством профессора Чжанцзюня Фэя из Института Бойса Томпсона достигла в этом значительного успеха. О прорыве сообщается в журнале Nature Plants . Используя передовые методы секвенирования ДНК и алгоритмы машинного обучения, ученые создали первую полную генетическую модель «Танзании» — сорт батата, высоко ценящийся в Африке за устойчивость к болезням и низкое содержание влаги, оставляющее максимум места для полезных питательных веществ.
Главной задачей было распутать 90 хромосом растения и организовать их в шесть исходных наборов, называемых гаплотипами. Команда смогла полностью разделить («фазировать») эту сложную головоломку, чего ранее не удавалось никому.
Исследование выявило удивительную особенность. Геном батата представляет собой мозаичную структуру, составленную из геномов множества диких предков, некоторые из которых не идентифицированы наукой. Примерно треть получена от Ipomoea aequatoriensis, дикого вида, встречающегося в Эквадоре. Другая значительная часть напоминает дикий центральноамериканский вид I. batatas 4x, хотя истинный донор, возможно, до сих пор не обнаружен в дикой природе.
В отличие от пшеницы, где наследственные последовательности можно обнаружить в отдельных участках, у батата они переплетены в одних и тех же хромосомах, что создает ни на что не похожую геномную архитектуру.
Такое переплетение наследия позволяет условно классифицировать батат как «сегментный аллополиплоид» — по сути, гибрид, произошедший от разных видов, но ведущий себя так, как будто он произошел от одного вида. Это слияние и рекомбинация придают батату его замечательную адаптивность и устойчивость к болезням — качества, критически важные для фермеров, ведущих натуральное хозяйство по всему миру.
Шесть наборов хромосом батата также способствуют его повышенной устойчивости. Благодаря нескольким версиям важных генов растение может сохранять резервные копии, которые помогают ему пережить засуху, противостоять вредителям и адаптироваться к различным условиям — эта особенность известна как полиплоидный буфер.
Однако для полного понимания потенциала батата потребуется расшифровать геномы множества сортов из разных регионов, поскольку каждый из них может нести уникальные особенности, утраченные в других.
Работа Фэя и его команды представляет собой нечто большее, чем просто академическое достижение. Вооруженные более четким пониманием сложной генетики батата, селекционеры теперь могут эффективно выявлять гены, отвечающие за такие ключевые характеристики, как урожайность, питательность, устойчивость к засухе и болезням. Такая точность может ускорить создание улучшенных сортов.
Недавно мы рассказали, как ученые оптимизируют посевы и выводят устойчивую к засухе пшеницу с помощью беспилотников.