Einem Forschungsteam ist es gelungen, ein nahezu lückenloses Telomer-zu-Telomer-Genom (T2T) von Populus ussuriensis zusammenzustellen und damit vorhandene Lücken im Genom von P. trichocarpa zu schließen. Mithilfe der Sequenzierung langer Leseabschnitte konnte das Team Zentromerbereiche in allen doppelt haploiden (DH) Genomchromosomen identifizieren und annotieren, was für Pappeln eine Premiere darstellt. Mit 34.953 proteinkodierenden Genen übertrifft dieses Genom das von P. trichocarpa um 465 Gene.
Das T2T-Genom von P. ussuriensis verbessert das Verständnis der Struktur und Funktion des Pappelgenoms und hilft bei evolutionären Studien über Pappeln. Die hohe Kollinearität der Anordnung mit P. trichocarpa erleichtert vergleichende Genomik, epigenetische Forschung und Studien zur Fortpflanzungsbiologie und stellt einen bedeutenden Beitrag zu diesem Gebiet dar.
Pappeln sind für ihren relativ kurzen Lebenszyklus und ihre große Anpassungsfähigkeit bekannt. Aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten und Pionierbaumeigenschaften sind sie in verschiedenen Industriezweigen und Wiederaufforstungsbemühungen von zentraler Bedeutung. Trotz ihrer Bedeutung bleibt die Erzielung hochwertiger Genomassemblierungen bei Pappeln, insbesondere Populus trichocarpa, aufgrund ihrer hohen Heterozygotie und stark repetitiven Sequenzen in den Genomen eine Herausforderung.
Jüngste Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie haben die Qualität der Assemblierung verbessert, doch eine hohe genomische Heterozygotie bleibt weiterhin ein Hindernis. Die Entwicklung homozygoter Linien bietet eine mögliche Lösung, doch die langen Jugendperioden von Gehölzpflanzen stellen praktische Herausforderungen dar. Während DH-Linien bei der Genomsequenzierung von Nutzpflanzen eingesetzt wurden, ist ihre Anwendung bei Waldbäumen nach wie vor begrenzt.
Die Schließung dieser Lücke und die Entwicklung effizienter Methoden zur Induktion haploider Pflanzen oder DH-Linien in Pappeln könnte die Genomforschung an diesen zweihäusigen Bäumen revolutionieren und genauere und umfassendere Genomassemblierungen ermöglichen, die ein besseres Verständnis ihrer Biologie und Umweltanpassungsfähigkeit ermöglichen.
A Studie veröffentlicht in Forstforschung enthüllt ein hochwertiges Pappelgenom mit annotierten Zentromeren und Telomeren und erleichtert so molekulare Analysen und vergleichende Genomik.
Die Studie leitete die Induktion haploider Kallus aus P. ussuriensis-Antheren ein, identifizierte haploide und DH-Kalli durch Hochdurchsatz-Screening und führte eine Neusequenzierung des gesamten Genoms zur SNP-Identifizierung durch. Die DH15-Linie wurde ausgewählt und durch K-Mer-Analyse ihr homozygoter Ursprung und ihre genomische Größe geschätzt. Für DH15 wurde unter Verwendung von PacBio HiFi-Reads und Hi-C-Daten ein lückenloses Referenzgenom erstellt, das 19 vollständig zusammengesetzte Chromosomen, annotierte Telomere und Zentromere umfasst.
Das Genom wies eine hohe Vollständigkeit und Qualität auf und übertraf frühere P. trichocarpa-Zusammenstellungen. Telomere zeigten unterschiedliche Längen über Chromosomen hinweg, während 19 Zentromere mit unterschiedlichen Längen und Strukturen identifiziert wurden. Eine vergleichende Analyse ergab enge phylogenetische Beziehungen zwischen Populus-Arten. Das DH15-Genom mit 34.953 proteinkodierenden Genen wies eine vielfältige Palette repetitiver Elemente auf. Insbesondere identifizierte die Genfamilienanalyse spezifische Genfamilien, die an Phosphatstoffwechselprozessen angereichert sind. Ein Vergleich mit anderen Populus-Genomen hob die überlegene Kontiguität und Vollständigkeit von DH15 hervor, insbesondere in Zentromerregionen, und enthüllte neue Gene und Transkripte.
Laut dem leitenden Forscher der Studie, Su Chen, „wird diese verfeinerte Genomzusammenstellung für die molekulare Analyse der Genfunktionen von Pappeln von großer Bedeutung sein und vergleichende Genomstudien an verschiedenen Pappelarten ermöglichen. Sie dient als solide Grundlage für zukünftige Forschungen zum Genom der Pappel und anderer Pflanzen.“
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie eine nahezu lückenlose Zusammenstellung eines hoch zusammenhängenden Pappelgenoms, DH15, ermöglicht hat, was umfassende Analysen von Zentromerregionen und Genfunktionen ermöglicht, was Fortschritte in der Pappelgenomik, bei Vergleichsstudien und bei molekularen Züchtungsstrategien vorantreiben wird. Mit Blick auf die Zukunft wird diese verfeinerte Genomzusammenstellung als entscheidende Ressource zum Verständnis der Pappelbiologie dienen und praktische Anwendungen in der Forstwirtschaft und Biotechnologie beschleunigen.
Mehr Informationen:
Wenxuan Liu et al., Ein nahezu lückenloses, hoch zusammenhängendes Referenzgenom für eine doppelt haploide Linie von Populus ussuriensis, das fortgeschrittene genomische Studien ermöglicht, Forstforschung (2024). DOI: 10.48130/forres-0024-0016
Zur Verfügung gestellt von Maximum Academic Press