Görünüşte çok alçakgönüllü bir mahsul için patates beklenmedik bir genetik karmaşıklık seviyesini gizler. Zor yolu öğrendik bir ders. Ekibimizin patates genetiğine girişi 2016 yılında saf ama iyimser bir e -posta ile başladı. Takım lideri (MPIPZ, Almanya) Korbinian Schneeberger, heterozigot genomlarda haplotip fazlaması için yeni bir sekanslama teknolojisini (tek molekül sıralama) test etmeye istekli Maarten Koornneef'e (daha sonra MPIPZ direktörü) ulaştı. Patatesleri, öngörülen karmaşıklıklardan habersiz olarak bir test vakası olarak önerdi.
Hazırlık Süresi: 2-6 yıl
Eski bir grup üyesi Wen-Biao Jiao liderliğindeki ilk denememiz, patateslerin özellikle inatçı bir bileşen olduğunu hızla ortaya koydu. Patates genomları ototetraploiddir, yani her hücre her kromozomun dört kopyasını içerir. Patates genomunu, her biri ustaca farklı dört örtüşen, neredeyse aynı katmanlara sahip bir bulmaca olarak hayal edin. Bu katmanlar veya haplotipler, her kromozomu ayırt etmeyi son derece zorlaştırdı. O zaman, sıralama teknolojileri daha düşük doğrulukla daha küçük okumalar üretti, bu da genellikle hatalar içeren daha küçük bulmaca parçalarına neden oldu. Sonuç olarak, hiçbir yöntem bireysel kromozomları elde etmek için bunları birleştiremez.
Erken başarısız girişimlerden sonra, yeni bir stratejiye ihtiyacımız olduğu açıktı. Atılım, 2019'da tek hücreli sıralamaya döndüğümüzde geldi. José ve meslektaşları, gametlerin tek hücreli dizilimi kullanarak haplotipleme yöntemleri geliştirdiler (Campoy ve Sun ve ark., Genom Biology, 2019), patates genom montajını daha yönetilebilir hale getirdiler. 2022 yılına gelindiğinde, bu yöntem bir tetraploid patatesin ilk tamamen monte edilmiş genomunu üretti (Sun ve Jiao ve ark., Nature Genetics, 2022). Şaşırtıcı bir şekilde, dört haplotip arasında yüksek seviyelerde haplotip paylaşımı vardı ve patateslerde çeşitlilik hakkında yeni sorular gündeme getirdi.
(Bazı) taze malzemeler gerekli
Patates'in hikayesi yaklaşık 10.000 yıl önce Güney Amerika'nın Andean Yaylalarında başlıyor. Yerli topluluklar, çeşitli ortamlara uygun bitkileri seçerek vahşi patates türlerini evlat etti. 16. yüzyılda İspanyol kaşifler tarafından Avrupa'ya getirilen, tek bir alt tür hızla bir mahsul olarak yayıldı (Solanum tuberosum SSP. tuberosum). Avrupa patates, 18. yüzyılın ikinci yarısında yanık salgınları tarafından şişe boyunduruldu. Modern üremenin başlamasından önce, Korbinian ve Hequan, Avrupa'nın patates çeşitliliğinin ham bileşenlerini yakalamak için yola çıktı. 21 tarihi çeşidi dondurucudan çıkardık ve tetraploid Avrupa patatesinin pan-genomu oluşturmak için iyi bir lezzet karışımı (aka genetik çeşitlilik) sunan on seçmek için sığ sekans kullandık. En fazla on montajı ölçeklendirmek, ne kadar zor olabilir?
İlk iyimserlik hızlı bir şekilde soldu, on set tek gamete sıralama üretilmesi zor ve maliyetliydi. Bunun üstesinden gelmek için, alternatif bir sekanslama teknolojisi (HI-C) kullanarak kompleks genomları bir araya getirmek ve faz monte etmek için yeni bir yöntem geliştirdik. Bu yöntem, tetraploid patates genomlarını çok daha fazla netlikle yeniden yapılandırmamıza izin verdi (Şekil 1).
Şekil 1.
2023 yılı hem bilimsel hem de kişisel olarak büyük değişiklikler getirdi. MPIPZ'de on yıl sonra Hequan, Çin'deki Xi'an'da (XJTU) kendi araştırma grubunu kurdu. Momentumun devam etmesini sağlamak için MPIPZ, LMU ve XJTU'yu uluslararası bir ekibe bağladık. Bu iddialı ortaklık, birçok planlama baş ağrısı getirdi. Sergio hala Kolombiya'daki 5:30 AM genom toplantıları hakkında homurdanıyor. Hequan, Çin'de çok sayıda gece geç saatte çağrılara katlandı.
Bitiş çizgisine ulaştığımızı düşündüğümüzde, Hequan neşeyle başka bir “küçük gelişme” duyurdu, herkesi baştan başlamaya ve analizleri sıfırdan tekrarlamaya zorladı. Yakında, “sadece bir genom güncellemesi”, Hequan'ın yorulmak bilmeyen hassasiyet arayışının izniyle resmi olmayan günlük rutinimiz oldu. Geri kalanımız her duyuruya istifa eden kahkaha ve yine başka bir kahve ile cevap verdik.
Pişirme Süresi: 2 Hafta
Şubat 2024. Fısıltılar yayınlama boru hattında başka bir patates kağıdı dolaşmaya başladı. Bu noktada bir ekstra kepçe tüm tarifi bozmuş olabilir. Bu koşullar birlikte bizi makaleyi teslim etmek için bir iş telaşına (bir yemek şovu meydan okumasının son dakikasını hayal ederek) sürdü, nihayet saat 4: 47'de Orta Avrupa zamanında gönderildi.
Servisler: 10
Bir yıl (ve birkaç yeniden ısıtılmış taslak) sonra, nihayet patates pan-genomumuzu kapladık. İlk büyük bulgumuz, Avrupa patateslerinin şaşırtıcı derecede yüksek dizi çeşitliliğini barındırmasıydı. Daha önce bilindiğiden çok daha büyük. Bu zengin çeşitlilik öncelikle Meksika'dan Arjantin'e yayılan çok sayıda vahşi patates türüne sahip tarihsel genetik değişimlerden (introgressions) kaynaklandı.
Yine de, bu kadar kapsamlı genetik varyasyona rağmen, patates bir paradoks sundu: sekans seviyesinde yüksek çeşitlilik, ancak bu dizilerin nasıl yeniden birleştiğinde çok az değişiklik. Baharatlarla dolu bir kiler olması, ancak her zaman aynı yemeği pişirmek gibi düşünün. Birleştirdiğimiz 40 haplotipten sadece yaklaşık dokuzu herhangi bir genomik bölgede gerçekten benzersizdi. Bu, evcilleştirme, adaptasyon ve üreme darboğazları ile şekillenen Avrupa patateslerinde şaşırtıcı derecede dar bir genetik baz ortaya çıkardı.
Şaşırtıcı bir şekilde, daha az haplotipe sahip olmak, pratik genomik araçların geliştirilmesini kolaylaştırdı. Birçok patates genomu benzer DNA kombinasyonlarını paylaştığından, kısa okunan sekanslama verileri kullanarak mevcut pan-genomda yer almayan yeni patates örneklerinin genomlarını yeniden yapılandıran bir hesaplama aracı olan “haplotip-graf” i oluşturduk. Başlangıçta, Manish güvenle, “Bana iki hafta ver, basit olacak” dedi. Eğlenceli bir şekilde, bu beklenmedik engellerle dolu bir yıl süren destana dönüştü, Craig'i çekti ve her ikisini de kapsamlı analizlerde dolaştı.
Haplotip grafi, ikonik “Russet Burbank” da dahil olmak üzere ticari olarak önemli patates çeşitlerinin genomlarını yeniden yapılandırarak değerini kanıtladı. Bu, pan-genomumuzun yetiştiricilere ve araştırmacılara patates genetik çeşitliliğinden yararlanmak için araçlar sağladığını, daha esnek ve üretken çeşitler için gelecekteki çabaları nasıl sağladığını göstermektedir.
Gelecek Tarifler: Patates Genomiklerinde Sonraki Adımlar
Pan-genome tarifimiz şimdi denenmiş ve test edilirken, gelecekteki adımlar yeni fırsatlar vaat ediyor. 24 patates genomunun sıralama haplotip alanının% 95'ini yakalayabilir ve bizi gerçekten tam bir pan genomuna yaklaştırabilir. Özel bileşenleri seçmek gibi, özellikle son üreme ve introgressions'tan türetilen benzersiz özelliklere sahip çeşitlerin hedefli sıralaması gerekli olacaktır.
“Yemek pişirme” yolculuğumuz, dünya çapında ekip üyelerinin özveri tarafından yönlendirilen gerçekten işbirlikçi bir çabaydı. Kolombiya'daki sabahların erken saatlerinden Çin, Hindistan, Avustralya ve Almanya'daki gece geç saatlerde genom maratonlarına kadar, çeşitli uzmanlığımız sürecin her aşamasını şekillendirdi. Patates pan-genomu asla bitmiş bir yemek olmayabilir, ancak görevin kendisi sonsuz fırsatları, karmaşık bulmacaları ve her zaman iyileştirme alanı ortaya çıkarmaya devam eder.
Hequan Sun, Sergio Tusso, Craig I. Dent & Manish Goel
Referanslar
- Campoy, JA, Sun, H., Goel, M., Jiao, W.-B., Folz-Donahue, K., Wang, N., Rubio, M., Liu, C., Kukat, C., Ruiz, D., Huettel, B. ve Schneeberger, K. (2020). Gamet Binning: Gamete genomlarının yüksek verimli tek hücreli dizilimi ile etkinleştirilen kromozom seviyesi ve haplotip ile çözülmüş genom düzeneği. Genom Biyolojisi, 21 (1), 306. https://doi.org/10.1186/s13059-020-02235-5
- Sun, H., Jiao, W.-B., Krause, K., Campoy, JA, Goel, M., Folz-Donahue, K., Kukat, C., Huettel, B. ve Schneeberger, K. (2022). Bir tetraploid patates çeşidinin kromozom ölçeği ve haplotiple çözülmüş genom düzeneği. Nature Genetics, 54 (3), Madde 3. https://doi.org/10.1038/s41588-022-01015-0
Bir yanıt yazın