Når ét referencegenom ikke er nok

Meget af forskningen inden for plantefunktionel genomik til dato har været afhængig af tilgange baseret på enkeltreferencegenomer. Men i sig selv, et enkelt referencegenom fanger ikke den fulde genetiske variabilitet af en art. Et pan-genom, den ikke-redundante forening af alle sæt gener, der findes i individer af en art, er en værdifuld ressource til at frigøre naturlig mangfoldighed. Imidlertid, de beregningsmæssige ressourcer, der kræves for at producere et stort antal genomsamlinger af høj kvalitet, har været en begrænsende faktor for at skabe plante-pan-genomer.

At have plante-pan-genomer til afgrøder, der er vigtige for brændstof- og fødevareanvendelser, ville gøre det muligt for avlere at udnytte naturlig mangfoldighed til at forbedre egenskaber såsom udbytte, sygdomsresistens, og tolerance over for marginale vækstbetingelser. I et papir offentliggjort den 19. december, 2017 i Naturkommunikation , et internationalt hold ledet af forskere ved U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science User Facility ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), målte størrelsen af ​​et plante-pan-genom vha Brachypodium distachyon , et vildt græs, der er meget brugt som model for korn- og biomasseafgrøder. Som et af JGI's planteflagskibsgenomer, B. distachyon rangerer blandt de mest komplette plantereferencegenomer.

"Der er et stort antal gener, der ikke er fanget i et enkelt referencegenom, " tilføjede seniorforfatter John Vogel, leder af JGI's Plant Functional Genomics-gruppe. "Ja, omkring halvdelen af ​​generne i pan-genomet findes i et variabelt antal linjer." Arbejder hen imod det primære mål om nøjagtigt at estimere størrelsen af ​​et plante-pan-genom, Vogel og hans kolleger udførte hel-genome de novo samling og annotering af 54 geografisk forskellige linjer af B. distachyon , hvilket giver et pan-genom indeholdende næsten det dobbelte af antallet af gener fundet i en individuel linje.

"En arts genom er en samling af genomer, hver med deres eget unikke twist, " tilføjede JGI bioinformatiker og undersøgelses første forfatter Sean Gordon. "Nu ved at fokusere på et enkelt referencegenom fører til ufuldstændige og partiske skøn over genetisk diversitet og ignorerer gener, der potentielt er vigtige for avlsapplikationer, vi burde bedre inkorporere flere referencer i fremtidige undersøgelser af naturlig mangfoldighed."

I øvrigt, gener, der kun findes i nogle linjer, har tendens til at bidrage til biologiske processer (f. sygdomsresistens, udvikling), der kan være gavnlig under visse miljøforhold, hvorimod gener fundet i hver linje normalt understøtter essentielle cellulære processer (f.eks. glykolyse, jerntransport).

"Det betyder, at de variable gener fortrinsvis bevares, hvis de er gavnlige under nogle forhold. Det er præcis den type gener, som opdrættere har brug for for at forbedre afgrøder." sagde Vogel.

Ud over, gener fundet i kun en undergruppe af linjer viste hurtigere udviklingshastigheder, lå tættere på transponerbare elementer (menes at spille en nøglerolle i pan-genomudviklingen), og var mindre tilbøjelige til at blive fundet i samme kromosomale placering som funktionelt ækvivalente gener i andre græsser.

Sekvenssamlingerne, genannoteringer og relateret information kan downloades fra projektets hjemmeside BrachyPan:brachypan.jgi.doe.gov. Det Brachypodium distachyon genomet er tilgængeligt på JGI Plant Portal Phytozome:phytozome.jgi.doe.gov.