Hvad er der i din hvede? Forskere sammensætter genomet af den mest almindelige brødhvede

Johns Hopkins-forskere rapporterer, at de med succes har brugt to separate genteknologier til at samle den mest komplette genomsekvens til dato af Triticum aestivum, den mest almindelige dyrkede hvedeart, der bruges til at lave brød.

En rapport om præstationen blev offentliggjort i 23. oktober-udgaven af GigaScience blot et par uger før deres relaterede rapport om sekvenseringen af ​​brødhvedens "forfader, "Aegilops tauschii, udgivet 15. november i Natur .

Sammen, de siger, hvedens genomsekvenser kan hjælpe biologer til ikke blot bedre at forstå hvedens evolutionære historie, men også fremme søgen efter hårdere, flere skadedyrs- og tørkeresistente hvedetyper for at hjælpe med at brødføde verdens voksende befolkning.

"Efter mange års forsøg, vi har endelig været i stand til at producere en samling af høj kvalitet af dette meget udfordrende genom, " siger Steven Salzberg, Ph.D., Bloomberg Distinguished Professor of Biomedical Engineering ved Johns Hopkins University Whiting School of Engineering og McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine ved Johns Hopkins University School of Medicine.

Ifølge Johns Hopkins-forskerne, brødhvede har et af de mest komplekse genomer kendt af videnskaben, indeholdende anslået 16 milliarder basepar DNA og seks kopier af syv kromosomer. Til sammenligning, det menneskelige genom er cirka fem gange mindre, med omkring tre milliarder basepar og to kopier af 23 kromosomer. Tidligere offentliggjorte versioner af brødhvedens genom har indeholdt store huller i dets meget gentagne DNA-sekvens.

"Den gentagne karakter af dette genom gør det vanskeligt at sekvensere fuldstændigt, " siger Salzberg. "Det er som at prøve at sammensætte et puslespil af en landskabsscene med en enorm blå himmel. Der er mange meget lignende, små stykker at samle. "

Det nysamlede brødhvede genom, som kostede 300,- 000 for sekventeringen alene, det tog et år for Johns Hopkins-forskerne at samle 1,5 billioner baser af rådata til en endelig samling af 15,34 milliarder basepar.

At gøre det, Salzberg og hans team anvendte to typer genom-sekventeringsteknologi:kortlæst sekvensering med lang gennemlæsning og langlæsning, enkelt molekyle sekventering. Som navnet antyder, high throughput sekventering genererer enorme mængder af DNA basepar meget hurtigt og billigt, selvom fragmenterne er meget korte - kun 150 basepar lange til dette projekt. For at hjælpe med at samle de gentagne områder, Johns Hopkins-holdet brugte realtid, enkelt molekyle sekventering, som aflæser DNA, mens det syntetiseres i en lille, nanoskala godt på en chip. Teknologien gør det muligt for forskere at læse op til 20, 000 basepar ad gangen ved at måle fluorescerende signaler, der udsendes, når hver DNA-base kopieres.

Salzberg siger, at sekventering af et genom af denne størrelse ikke kun kræver genetisk ekspertise, men også meget store computerressourcer tilgængelige på relativt få forskningsinstitutioner rundt om i verden. Holdet stolede i høj grad på Maryland Advanced Research Computing Center, et computercenter, der deles af Hopkins og University of Maryland, som har over 20, 000 computerkerner (CPU'er) og over 20 petabyte datalagring. Holdet brugte cirka 100 CPU-år til at sætte dette genom sammen.

Salzberg og hans team deltog også i det samarbejde, der blev rapporteret i tidsskriftet Nature for at sekvensere en forfædres type hvede, Aegilops tauschii, som almindeligvis omtales som gedegræs og stadig findes i dele af Asien og Europa. Dens genom er cirka en tredjedel af størrelsen af ​​brødhvedens genom, men har lignende gentagelsesniveauer. Arbejdet, gjort som en del af et samarbejde mellem University of California, Davis; Johns Hopkins; og University of Georgia, tog cirka fire år at gennemføre. Ved at bruge ordnet klon genom sekventering, haglgeværsekventering og optisk genomkortlægning, holdet stykkede de 4,3 milliarder nukleotider sammen, der udgør plantens genetiske sekvens. Med disse oplysninger, resten af ​​holdet var i stand til at identificere sekvenser, der udgør de gener, der er ansvarlige for specifikke egenskaber i planten.