Геномное исследование прослеживает почти 60 миллионов лет эволюции и разнообразия рода яблонь

Новое сравнение и анализ геномов видов рода Malus, включающего культурную яблоню и её диких родственников, раскрыло эволюционные взаимосвязи между видами и то, как их геномы развивались за последние почти 60 миллионов лет.

Исследовательская группа выявила структурные вариации между геномами и разработала методы для идентификации генов, связанных с желательными признаками, такими как вкус, устойчивость к болезням и холоду, что может помочь в будущих программах селекции яблонь.

Исследование, проведённое международной командой, включающей биологов из Penn State, опубликовано в журнале Nature Genetics.

"В роде Malus насчитывается около 35 видов, но, несмотря на важность яблони как плодовой культуры, не было обширных исследований того, как эволюционировали геномы этой группы", — сказал Хонг Ма, автор статьи.

"В этом исследовании мы смогли глубоко изучить геномы Malus, построить генеалогическое древо яблони, задокументировать события, такие как дупликации всего генома и гибридизации между видами, и найти области генома, связанные с конкретными признаками, например, устойчивостью к парше".

Команда заново секвенировала и собрала геномы 30 представителей рода, включая культурный сорт Golden Delicious. Из 30 видов 20 являются диплоидными (имеют два набора хромосом, как люди), а 10 — полиплоидными (имеют три или четыре набора), что, вероятно, связано с относительно недавней гибридизацией диплоидных и других родственников в роде Malus.

Сравнив последовательности почти 1000 генов от каждого вида, исследователи построили генеалогическое древо рода и с помощью биогеографического анализа проследили его происхождение до примерно 56 миллионов лет назад в Азии.

"Эволюционная история рода довольно сложна, с многочисленными примерами гибридизации между видами и событием дупликации всего генома, что затрудняет сравнения", — отметил Ма. "Наличие высококачественных геномов для такого большого числа видов рода и понимание взаимосвязей между ними позволили нам глубже изучить эволюцию рода".

Для дальнейшего анализа истории и эволюции геномов Malus команда изучила 30 секвенированных геномов с помощью подхода, называемого пан-геномикой. Этот подход включал всестороннее сравнение как общих (консервативных) генов и других последовательностей, таких как транспозоны, так и генов, присутствующих только в подмножествах геномов.

"Использование пан-генома 30 видов было эффективным для обнаружения структурных вариаций, а также дупликаций и перестроек генов между видами, которые можно было бы упустить при сравнении всего нескольких геномов", — сказал Ма. "В данном случае одна из обнаруженных структурных вариаций позволила нам точно определить сегмент генома, связанный с устойчивостью к парше".

Команда также разработала инструмент пан-геномного анализа для поиска свидетельств селективных "зачисток" — процесса, при котором полезный признак быстро увеличивает свою частоту в популяции. С помощью этого метода они идентифицировали область генома, ответственную за устойчивость к холоду и болезням у диких видов Malus, которая также может быть связана с неприятным вкусом плодов.

"Возможно, что в стремлении получить самый вкусный плод произошло непреднамеренное снижение выносливости культурных яблонь", — предположил Ма. "Понимание структурных вариаций в геномах Malus, взаимосвязей между видами и истории их гибридизации с помощью пан-геномного анализа может помочь направить будущие усилия по селекции, чтобы полезные признаки хорошего вкуса и устойчивости к болезням могли быть одновременно сохранены в яблоках".