گزارشی از نقش پانژنومهای گیاهی در بهبود محصولات کشاورزی
اهمیت روزافزون منابع پانژنومی گیاهی در کشاورزی
تسریع در ترجمه دانش ژنوتیپ به فنوتیپ در محصولات زراعی
گزارشها نشان میدهند که منابع پانژنومی گیاهی با سرعت چشمگیری در حال ظهور هستند. این منابع بنیادین میتوانند رویکردهای ویرایش ژنوم را برای پیشبرد ترجمه دانش از ژنوتیپ به فنوتیپ در میان محصولات زراعی مرتبط و خویشاوندان وحشی آنها هدایت کنند.
چالشهای ناشی از تغییردهندههای ژنتیکی پسزمینه
با این حال، دههها اصلاح نباتات نشان داده است که تغییردهندههای ژنتیکی پسزمینه همچنان موانعی برای دستیابی به نتایج قابل پیشبینی هستند. در حالی که تعیین توالی مراجع گیاهی با کیفیت بالا در مقیاس بزرگ، همراه با ژنتیک مستقیم، میتواند به راحتی تنوع پسزمینه را آشکار کند، شناسایی ارتولوگها و پارالوگها و ردیابی مسیرهای تکاملی آنها همچنان یک چالش حل نشده باقی مانده است. این چالش با تاریخچه فوقالعاده پیچیده تکامل در گیاهان گلدار، از جمله رویدادهای تکثیر کل ژنوم باستانی، تکهتکه شدنهای بعدی مختص دودمان و تکثیرهای کوچکتر اخیر، پیچیدهتر میشود.
استفاده از پانژنوم *Solanum* برای درک تنوع ژنتیکی
مزایای پانژنومهای گسترده در مقایسه با پانژنومهای تکگونهای
در مقایسه با پانژنومهای تکگونهای، پانژنومهای دربرگیرنده یک جنس کامل یا مقیاسهای طبقهبندی گستردهتر میتوانند تنوع توالی بیشتری و موارد شدید تنوع پارالوگ را آشکار کنند. در این گزارش، نویسندگان یک فرآیند یکپارچه را برای حل چالش تعیین ارتولوگها، پارالوگها و تاریخچه تنوع آنها در پانژنوم *Solanum* دنبال کردند.
رویکرد پژوهشگران برای شناسایی و مقایسه پارالوگها
رویکرد آنها از حاشیهنویسیهای موجود، تقویت شده توسط حاشیهنویسیهای *de novo* RNA-seq چند بافتی و بررسی دستی، برای آشکارسازی و مقایسه پارالوگهای باستانی و تکثیرهای پشت سر هم اخیر استفاده کرد. آنها ژنهای اصلی و غیرضروری را نقشهبرداری کردند و در میان دهها هزار جفت پارالوگ شناسایی شده، تجزیه و تحلیلهای بیان ژن، پیوستاری از روابط افزونگی را نشان داد که ناشی از الگوهای بیان در حال تغییر، شبهژنزایی یا از دست دادن ژن بود.
نقش پارالوگها در پیچیدگی نتایج اصلاح نباتات
به طور خاص، حداقل 67 درصد از جفتهای پارالوگ بیان شده در تقریباً تمام عملکردهای بیولوژیکی در دستههای تنوع بیان قرار میگیرند که میتوانند نتایج هدفمند حاصل از اصلاح نباتات با جهشهای طبیعی یا مهندسی شده برای بهبود صفات کشاورزی را پیچیده کنند. قابل توجه است که پارالوگهای ژن اندازه میوه *CLV3* هر سه سناریوی ممکن را شامل میشدند که ناشی از ظهور و سپس از دست دادن *CLE9*، تکثیرهای پشت سر هم مستقل *CLV3*، جابجایی شدید هاپلوتیپ و شبهژنزایی *CLV3* بود و هم تنوع درونگونهای و هم بینگونهای در این صفت مهم اهلیسازی را توضیح میداد.
تبادل دانش بین محصولات زراعی و گونههای وحشی برای بهبود کشاورزی
رویکردها و یافتههای این پژوهش نشان میدهد که چگونه استفاده از دانش حاصل از محصولات زراعی اصلی برای محصولات بومی و گونههای وحشی میتواند عوامل ناشناخته قبلی مؤثر بر تنوع صفات را آشکار کرده و تبادل دانش متقابل برای بهبود محصولات زراعی، از جمله شناسایی ژنهای جدید برای اصلاح هدفمند صفات را تسهیل کند. علاوه بر این، این رویکردهای یکپارچه روابط عملکردی خاص گونه و ژنوتیپ بین ژنها و آللها را آشکار میکند و بینشهایی را ارائه میدهد که استراتژیهای طراحی را بهبود بخشیده و پیشبینیپذیری را هنگام اصلاح با تنوع طبیعی یا مهندسی شده افزایش میدهد.
تأثیر تاریخچه تکاملی پارالوگ بر مهندسی ژنوم
چالشهای پیشبینی نتایج مهندسی ژنوم در شببوها و سایر گیاهان
تاریخچه تکاملی پیچیده پارالوگها بدون شک بر پیشبینیپذیری نتایج حاصل از مهندسی ژنوم در شببوها، گندمیان، حبوبات و فراتر از آن تأثیر میگذارد.
فرصتهای ارائه شده توسط پانژنومهای چند دودمانی
تجمیع گونهها و ژنوتیپهای نمونهبرداری شده به طور گسترده و عمیق در پانژنومهای چند دودمانی فرصتهای قابل توجهی را برای درک بهتر منشأ و فراوانی شکنندگی ژنوم در درون و بین گونهها و برای به کارگیری پیشرفتها در یادگیری ماشین برای پیشبینیهای ژنتیکی و ژنومی *de novo* در مقیاس بزرگ ارائه میدهد.
نقش یادگیری ماشین در پیشبینیهای ژنتیکی و ژنومی
با توسعه مدلهای یادگیری ماشین دقیقتر، تجزیه و تحلیل در سطح میکرو (به عنوان مثال، پیشبینی ژن، فراخوانی باز در سطح خواندن یا تشخیص واریانت) و همچنین پیشبینیهای سطح بالاتر فعالیتهای اپیژنومی و تنظیمی به بهبود خود ادامه خواهند داد. تلاشها برای پیشبینی اثر تغییرات *cis*-تنظیمی بر بیان ژن نیز در حال بلوغ هستند، اگرچه محدودیتهای موجود در چارچوبهای مدلسازی و رژیمهای آموزشی آنها همچنان موانعی برای دستیابی به دقت پیشبینی بالا هستند. این مطالعه نشان میدهد که چنین مدلهایی باید به طور صریح پارالوگها و پویایی تنوع آنها را در طیف وسیعی از مقیاسهای زمانی تکاملی در نظر بگیرند. توانایی پیشبینی چگونگی تأثیر پارالوگها و تعاملات اپیستاتیک خاص گونه بر روابط ژنوتیپ به فنوتیپ، به طور اجتنابناپذیری از طریق توسعه مدلهای بنیادین آموزش دیده بر روی کاتالوگهای بزرگ دادههای مولکولی، سلولی و موجودات زنده در درون و بین گونهها افزایش خواهد یافت.
اهمیت دانش بومی و همکاری در بهبود محصولات زراعی
نقش حیاتی دانش و فرهنگ بومی در کشاورزی
نویسندگان همچنین اذعان دارند که اجرای منابع، ابزارها و فناوریهای پانژنومی و پانژنتیکی نیازمند درک عمیقتر و حساسیت به نقش محوری دانش و فرهنگ بومی در گیاهشناسی و کشاورزی است.
همکاری با اصلاحگران محلی برای هدایت پژوهش
کار آنها از همکاری با اصلاحگران محلی که در انتخاب دودمانها، گونهها و ارقام بادمجان آفریقایی راهنمایی کردند، بسیار سود برده است. ادامه تبادل دانش باید تأثیر پانژنوم آنها بر کشاورزی، به ویژه پتانسیل تسریع در بهبود عملکرد و در عین حال پرداختن به چالش اصلی تحمل تنش غیرزیستی را تسریع کند. خط لوله یکپارچه ژنومی و ویرایش ژنوم آنها تنوع غنی ژنتیکی و فنوتیپی موجود در ژرمپلاسم بادمجان آفریقایی را تکمیل میکند و مسیرهای جدید و قابل پیشبینیتری را برای اصلاح نباتات ارائه میدهد. به عنوان مثال، از تشریح مسیرهای ژنتیکی موازی اما متمایز به سوی افزایش تعداد حجره در گوجه فرنگی و بادمجان آفریقایی، آنها درک بهتری از چگونگی افزایش قابل پیشبینی تعداد حجره، اندازه میوه و عملکرد در این محصول مهم دارند.
تمرکز بر تنظیمکنندههای گلدهی و اهمیت همکاریهای بینرشتهای
نقش تنظیمکنندههای گلدهی در انقلابهای کشاورزی
نویسندگان انتظار دارند که پیشرفتهای بیشتری از حل تاریخچه پارالوگهای تنظیمکنندههای گلدهی، که نقش محوری در انقلابهای کشاورزی بسیاری از محصولات زراعی داشتهاند، حاصل شود.
توجه به نیازهای متفاوت کشاورزان معیشتی
با این حال، مهم است که تأکید شود در حالی که اصلاح صنعتی بر عملکرد تأکید دارد، نیازهای خاص کشاورزان معیشتی میتواند متفاوت باشد. برای بادمجان آفریقایی، تغییر زمان گلدهی و معماری گلآذین احتمالاً به اندازه افزایش اندازه میوه مهم است. در ارقامی که برای تولید میوه کشت میشوند، گلدهی زودتر و ژنوتیپهای شاخهدارتر باعث کوتاه شدن گیاهان و در عین حال تسریع در تولید میوه و عملکرد کل میشود. برعکس، در ارقامی که برای مصرف برگ کشت میشوند، به تأخیر انداختن گلدهی باعث افزایش رشد رویشی و افزایش عملکرد رویشی میشود.
پیشنهاد تمرکز بر سیستم هورمونی فلوریژن-آنتیفلوریژن
نویسندگان پیشنهاد میکنند که سیستم هورمونی فلوریژن-آنتیفلوریژن گلدهی، همراه با ژنهای هدف جعبه MADS آن، باید تمرکز اصلی برای دستیابی به این اهداف اصلاحی باشد. تجزیه و تحلیل آنها از بادمجان آفریقایی، تنوعات متمایزی از پارالوگهای فلوریژن و آنتیفلوریژن را در مقایسه با الگوهای یافت شده در گوجه فرنگی نشان داد. درک این احتمالات، همراه با ژنتیک کمی مبتنی بر پانژنوم، نتایج قابل پیشبینی را در مهندسی ژنوم تسهیل خواهد کرد. مهمترین عامل موفقیت نسل بعدی اصلاح نباتات در محصولات بومی، ارتباط مؤثر، همکاری سازنده و قدردانی از دانش جمعی بین مردم محلی، اصلاحگران، کشاورزان و دانشمندان است.
منبع: Solanum pan-genetics reveals paralogues as contingencies in crop engineering