來自16個機構(gòu)的100多名科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊對野生甘蔗(Saccharum spontaneum)的基因組進(jìn)行了測序。該結(jié)果顯示在該雜志自然遺傳學(xué)。

大約一萬年前在新幾內(nèi)亞被馴化，“ 沒有蜜蜂生產(chǎn)蜂蜜的蘆葦 ”被認(rèn)為是公元前六至四世紀(jì)的奢侈品和昂貴的香料。

在大約八世紀(jì)將甘蔗引入舊世界之后，它蔓延到加勒比海，南美洲，印度洋和太平洋島國，推動了大規(guī)模的人類遷徙，包括奴隸勞動。

現(xiàn)在是世界上收獲量最大的第一作物和第五大有價值作物，甘蔗在90多個國家的2600萬公頃土地上種植，每年收獲18.3億公噸，總產(chǎn)值接近570億美元，提供80%世界上的糖和40%的乙醇作為主要的糖和生物燃料原料作物。

大多數(shù)農(nóng)民種植的甘蔗是兩種物種的混合物：甘蔗(Saccharum officinarum)，其生長具有高糖含量的大型植物;以及甘蔗自發(fā)體，其較小的尺寸和甜度被增加的抗病性和對環(huán)境脅迫的耐受性抵消。

由于缺乏完整的基因組序列，植物育種者通過幾代雜交和選擇產(chǎn)生了高產(chǎn)，強壯的菌株，但這是一個依賴時間和運氣的艱巨過程。

“甘蔗是第五大最有價值的作物，缺乏參考基因組阻礙了甘蔗改良的基因組研究和分子育種，”伊利諾伊大學(xué)的主要作者Ray Ming教授說。

“測序技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好處理大型同源多倍體基因組，直到2015年第三代測序技術(shù)的吞吐量，讀取長度和成本變得足夠具有競爭力。”

為什么對甘蔗基因組進(jìn)行測序如此困難?

在甘蔗的進(jìn)化歷史中的某個時期，它的基因組被重復(fù)了兩次，導(dǎo)致每對染色體的四個略有不同的版本都擠在同一個細(xì)胞核中。

這些事件不僅使基因組的大小翻了兩番，而且還使得來自全基因組重復(fù)的高度相似的序列更難以組裝成不同的染色體。

基因組DNA通常以小的重疊片段進(jìn)行測序或讀取，并且來自那些片段的序列數(shù)據(jù)變成巨大的線性拼圖的重疊片段。

隨著甘蔗基因組大小翻倍，再次翻倍，這個難題不僅變得更大; 它采用了重復(fù)但不完全相同的元素，許多小塊很難正確地裝入其中。

為了克服這一挑戰(zhàn)，Ming教授和共同作者使用了一種稱為高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲或Hi-C的技術(shù)。

這種方法使科學(xué)家們能夠發(fā)現(xiàn)染色體DNA長而纏結(jié)的部分哪些部分在細(xì)胞內(nèi)相互接觸。

當(dāng)使用由團(tuán)隊開發(fā)的稱為ALLHIC的定制算法進(jìn)行分析時，得到的數(shù)據(jù)用于拼圖拼圖盒蓋上的圖片的目的，提供粗略地圖，其中序列的哪些部分最可能屬于哪個染色體。

“最大的驚喜是，通過結(jié)合長序列讀數(shù)和Hi-C物理圖譜，我們將同源四倍體[四倍]基因組組裝成32條染色體，并實現(xiàn)了我們在同源染色體中進(jìn)行等位基因特異性注釋的目標(biāo)，”Ming教授說。

換句話說，研究人員現(xiàn)在知道哪些基因序列屬于原始的重復(fù)前基因組中的四種變異中的每一種 - 比他們預(yù)期的更高水平的細(xì)節(jié)。

通過與相關(guān)物種的基因組進(jìn)行比較，科學(xué)家們知道，在某些時候，獨特染色體的數(shù)量從10個減少到8個。

令團(tuán)隊驚訝的是，新數(shù)據(jù)顯示兩條不同的染色體已經(jīng)分開，然后所有四個半部融合到不同的現(xiàn)有染色體上，這是一組比它們假設(shè)的更復(fù)雜的事件。

理解這些物理變化有何幫助?隨著基因組內(nèi)的這些大的物理重排，受影響區(qū)域中的基因發(fā)生變化。

例如，研究小組發(fā)現(xiàn)，移動到新位置的大塊染色體含有更多的基因，這些基因可幫助植物抵抗疾病，而不是其他地方。

“它解決了一個謎，為什么甘蔗自發(fā)是抗病和抗逆基因的優(yōu)良來源，”明教授說。

“染色體重排可能是原因，而不是這種富集的結(jié)果，盡管這種濃縮的強調(diào)機制仍有待研究。”

“這一發(fā)現(xiàn)將加速挖掘有效基因的有效等位基因，這些基因已納入優(yōu)良的現(xiàn)代甘蔗雜交品種，隨后實施甘蔗的分子育種。”

野生甘蔗基因組還使該團(tuán)隊能夠確定現(xiàn)代甘蔗令人難以置信的甜味的可能起源：即使在甜度較低的甘蔗自發(fā)中，也會產(chǎn)生多個糖基轉(zhuǎn)運蛋白基因的突變。

他們還能夠觀察到，在Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum之間的雜交中，來自S. spontaneum的衍生DNA序列在整個雜交基因組中隨機分散。

“ALLHIC方法已被證明對構(gòu)建同源多倍體甘蔗基因組有效，”Ming教授說。