Die Pflanze Nicotiana benthamiana aus der Familie der Nachtschattengewächse ist eines der am häufigsten verwendeten Versuchsmodelle in der Pflanzenwissenschaft. Im Jahr 2020 berichtete eine Forschungsgruppe an der Nagoya University in Japan, dass N. benthamiana mit Pflanzen aus verschiedenen Familien gepfropft werden könnte, was eine seltene Fähigkeit demonstriert, die viele Forscher für unmöglich hielten.
Jetzt hat dieselbe Forschungsgruppe die Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation verwendet, um alle Gene im Genom der Tabakpflanze N. benthamiana zu entschlüsseln. Ihre Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie Pflanzen diese Veredelung durchführen können. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Pflanzen- und Zellphysiologie.
Die Genomstruktur von N. benthamiana war lange Zeit ein Rätsel. Sein komplexes Genom ist durch Hybridisierung entstanden, was bedeutet, dass seine Chromosomen von zwei Pflanzenarten stammen. Das Hybridisierungsereignis fand vor ungefähr 10 Millionen Jahren zwischen zwei eng verwandten Pflanzenarten statt: Sylvestres väterlicherseits und Tomentosae mütterlicherseits. Um die Sache noch komplizierter zu machen, entwickelte es sich durch mehrere Hybridisierungsereignisse weiter.
Da das Genom von Pflanzen wie N. benthamiana so groß ist, haben Forscher Schwierigkeiten, es mit der aktuellen Technologie vollständig zu analysieren. Um es effektiver zu untersuchen, schneiden Wissenschaftler es daher zur Sequenzierung in kleinere Fragmente und erstellen so eine sogenannte DNA-Bibliothek. Die kurzen Sequenzen, die nach der Next-Generation-Sequenzierung fragmentierter DNA-Bibliotheken erhalten werden, werden als Reads bezeichnet. Diese Sequenzen werden dann unter Verwendung ihrer überlappenden Regionen zusammengesetzt, um größere Sequenzen zu erzeugen, die als Contigs bezeichnet werden. Da die Reihenfolge der Basen in Contigs bekannt ist, können diese Informationen verwendet werden, um die Contigs zu verbinden, um längere Sequenzen zu erstellen, die Gerüste genannt werden.
Obwohl versucht wurde, das Genom von N. benthamiana zu analysieren, indem es in 141.000 Gerüste fragmentiert wurde, macht seine komplexe Duplikationsstruktur die Chromosomenstruktur unklar und eine molekulargenetische Analyse schwierig. Wie bei einem Puzzle ist es einfacher, sich das Bild eines fertigen Puzzles vorzustellen, das aus einer Handvoll Teile besteht, als eines, das aus 141.000 Teilen besteht.
„N. benthamiana hat eine komplexe Genomstruktur. Aufgrund seiner Komplexität waren nur fragmentarische DNA-Informationen bekannt, was ein Hindernis für die Genforschung darstellte“, erklärt außerordentlicher Professor Michitaka Notaguchi, der Erstautor der Studie. „Viele Dinge waren unbekannt, einschließlich des Zustands zwischen Genen und Sequenzinformationen zu den regulatorischen Regionen der Genexpression, was ein Hindernis für weitere genetische Analysen darstellte.“
Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Kenichi Kurotani, einem speziell ernannten Dozenten, und Notaguchi am Forschungszentrum für Biowissenschaften und Biotechnologie der Universität Nagoya hat in Zusammenarbeit mit dem Mass Genetic Information Laboratory, dem National Institute of Genetics und dem Kazusa DNA Research Institute sequenziert der größte Teil des N. benthamiana-Genoms. Mithilfe der neuesten Next-Generation-Sequencing-Technologie untersuchten die Forscher die Chromosomenebene so genau wie möglich. Dadurch konnten sie in der genetischen Geschichte der Art weiter zurückgehen als je zuvor.
Die Forscher erreichten eine Sequenzierung von 95,6 % des gesamten Genoms und konnten 1.668 Gerüste erreichen, viel weniger als in früheren Studien, wodurch das „Puzzle“ viel einfacher zu konstruieren war. Von diesen Gerüsten hatten 21 der größeren die Größe eines ganzen Chromosoms.
Es wurde festgestellt, dass N. benthamiana eine komplexe Mischung von Genomsequenzen sich kreuzender Elternarten aufweist. Die Genomsequenzen waren so miteinander verknüpft, dass es unmöglich war, zwischen ihnen klar zu unterscheiden, was auf den alten Ursprung der Hybridisierung hinweist. Sie schätzten, dass N. benthamiana und die verwandte N. tabacum wahrscheinlich vor 3 bis 7 Millionen Jahren umgeleitet wurden.
„Diese Forschung hat die genetische Analyse von N. benthamiana dramatisch erleichtert, indem sie aktualisierte Informationen über die Sequenzen der regulatorischen Regionen der Genexpression, die Verknüpfung auf dem Chromosom und die Anzahl der Gene lieferte. Diese Informationen fehlten“, erklärt Kurotani.
„Diese Genom-Entschlüsselung wird die Anwendung der Genom-Editing-Technologie erleichtern, die voraussichtlich in Zukunft in der Pflanzenforschung eingesetzt werden wird. Sie sollte die pflanzenwissenschaftliche Forschung sowie die Entwicklung effektiverer Nutzungsmethoden für N. benthamiana und seine Einzigartigkeit beschleunigen Transplantationsfähigkeiten. Jetzt, da alle Informationen durch Genomsequenzierung aufgedeckt wurden, ist es einfacher, N. benthamiana als Gegenstand der Forschung zu behandeln.“
Mehr Informationen:
Genomsequenz und Analyse von Nicotiana benthamiana, der Modellpflanze für Interaktionen zwischen Organismen, Pflanzen- und Zellphysiologie (2023).