Enthüllung eines lückenlosen Genoms in Raps für bessere landwirtschaftliche Erkenntnisse und Züchtung

Allopolyploider Raps (Brassica napus) spielt eine entscheidende Rolle in der globalen Landwirtschaft und dient nicht nur als wichtige Ölpflanze, sondern auch als nahrhafte Gemüse- und Zierpflanze. Trotz ihrer Bedeutung werden die aktuellen Referenzgenome, einschließlich der neuesten ZS11_HZAU-Version, durch ungelöste Sequenzen, kollabierte Duplikationen und Lücken behindert, was eine umfassende Genomanalyse einschränkt.

Jüngste Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie, insbesondere die Integration der ultralangen Lesevorgänge von PacBio HiFi und Oxford Nanopore Technologies (ONT), haben erhebliche Fortschritte bei der Herstellung lückenloser Assemblierungen erzielt, wie beispielsweise das vollständige menschliche Genom T2T-CHM13 und mehrere Pflanzengenome zeigen. Diese Entwicklungen bieten neue Möglichkeiten für die genaue Entdeckung struktureller Variationen (SV) und die Identifizierung von Anwesenheits-/Absenzvariationen (PAVs), die für das Verständnis der Phänotypexpression und der evolutionären Genetik in Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung sind. Das Fehlen eines lückenlosen Genoms für Raps war jedoch ein großes Hindernis bei der genauen Identifizierung von SVs, die mit Schlüsselmerkmalen wie der Blütezeit zusammenhängen.

Im August 2023, Gartenbauforschung veröffentlicht eine Studie mit dem Titel „Ein lückenloses Referenzgenom enthüllt strukturelle Variationen, die mit der Blütezeit bei Raps (Brassica napus) verbunden sind.“ Diese Studie präsentiert die erste lückenlose Montage von Raps-Lebensläufen. Xiang5A stellt einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieser Herausforderung dar und erleichtert die zukünftige Genomforschung und die Erforschung bisher übersehener funktioneller Gene und Genomvarianten.

Konkret wurde die Genomassemblierung von Xiang5A (X5A), einer väterlichen Linie mehrerer Elite-Hybrid-Rapssorten, durch die Integration von HiFi-, ONT- und Hi-C-Daten erreicht. Diese Strategie führte zu einer lückenlosen Genomassemblierung von 1004,95 MB, was die geschätzte Genomgröße von 1033,31 MB übertraf und zu deutlichen Verbesserungen in der Kontiguität, Vollständigkeit und Genauigkeit gegenüber früheren Referenzgenomen führte. Alle 19 Chromosomen wurden als zusammenhängende Sequenzen zusammengesetzt, wobei acht die Vollständigkeit von Telomer zu Telomer (T2T) erreichten.

Die Baugruppe nutzte die hohe Genauigkeit von PacBio HiFi-Lesevorgängen als Rückgrat, integriert mit ONT-Lesevorgängen für Kontiguität über große Entfernungen und erreichte eine N50-Länge von 50,70 MB. Diese Methode ermöglichte das Füllen aller zuvor ungelösten Lücken und verankerte 1.006.846.396 bp Sequenz in 19 Pseudochromosomen.

Die Annotation des Genoms ergab 580,09 MB an sich wiederholenden Sequenzen und identifizierte 124.774 Genmodelle, was die Genzahl früherer Zusammenstellungen deutlich übertraf und 99,2 % eines BUSCO-Referenzgensatzes erfasste. Die Zentromeranalyse ergab äußerst zusammenhängende und vollständige Regionen, eine bemerkenswerte Verbesserung, die zum Verständnis der Chromosomenstabilität und -segregation beiträgt.

Vergleichende Genomik mit 15 Arten beleuchtete die Evolutionsgeschichte von X5A und zeigte seinen Ursprung durch Allotetraploidisierung von B. rapa und B. oleracea. Die Analyse struktureller Variationen zeigte Gene auf, die die Blütezeit beeinflussen, was für die Anpassungsfähigkeit und Reife von Raps von entscheidender Bedeutung ist, und lieferte Einblicke in die ökologische Diversifizierung der Arten und potenzielle Züchtungsziele für früh reifende Sorten.

Insgesamt stellt diese Studie einen Sprung in der Raps-Genomforschung dar, bei der fortschrittliche Sequenzierungs- und Assemblierungstechniken genutzt werden, um ein äußerst genaues und vollständiges Genom zu erstellen. Das lückenlose X5A-Genom dient als solide Grundlage für die zukünftige genetische und agronomische Merkmalsforschung und könnte möglicherweise die Rapszüchtung und das Verständnis seiner komplexen Genomarchitektur revolutionieren.