Forscher in Japan haben eine qualitativ hochwertige Genomanordnung von Roter Perilla (Perilla frutescens) generiert, einer Pflanze, die am häufigsten in Asien vorkommt und in Japan allgemein als Aka-Shiso und in Großbritannien und den USA wegen ihres dunklen Magenta als Beefsteak-Pflanze bekannt ist Blätter. Die hochwertige Genomzusammensetzung wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Fülle potenziell nützlicher bioaktiver Chemikalien der Pflanze zu nutzen, darunter Perillaldehyd und Rosmarinsäure.
Einige der bioaktiven Chemikalien von P. frutescens sollen medizinische Eigenschaften haben. Rosmarinsäure wird bereits häufig als Nahrungsergänzungsmittel verwendet, mit Behauptungen wie entzündungshemmenden, antidepressiven, antimykotischen und antibakteriellen Eigenschaften, um nur einige zu nennen. Perillaldehyd hat ein ähnliches Potenzial für diese Anwendungen gezeigt, und es gibt einige medizinische Beweise dafür, obwohl der Markt für sekundäre Pflanzenstoffe immer noch größtenteils unreguliert ist.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Hidemasa Bono, Professor an der Graduate School of Integrated Science for Life der Universität Hiroshima, hat kürzlich seine Ergebnisse veröffentlicht. Die hochqualitative Genomzusammensetzung kann nun als Referenz für die Auswahl von Zielgenen für die Genombearbeitung von P. frutescens dienen, so die Autoren der Veröffentlichung.
Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden am 16. November 2022 in veröffentlicht DNA-Forschung.
Die Forscher wählten P. frutescens, ein Mitglied der Familie der Lippenblütler (Lamiaceae), aus, weil es wegen seines ungewöhnlich breiten Spektrums an bioaktiven Phytochemikalien weithin als wichtige Kräuterpflanze anerkannt ist. In der Pflanze wurden mehrere Enzyme für die Biosynthese allein der Verbindungen Rosmarinsäure und Perillaldehyd identifiziert.
„Die Genom-Editierung von rotem Perilla zur Bereitstellung besserer Eigenschaften ist eine der vielversprechenden Möglichkeiten, diese Pflanze effektiver zu nutzen“, sagte Bono. „Dafür sind qualitativ hochwertige Genomsequenzen der Zielspezies notwendig.“
Genomeditierungswerkzeuge wie CRISPR-Cas9 wurden verwendet, um Biosynthesewege in Pflanzen zu konstruieren und die Pflanzen effektiv zu rekrutieren, um Verbindungen zu produzieren, die für die Herstellung neuer und bestehender Medikamente wünschenswert sind. Die Studienautoren nannten ein weiteres aktuelles Beispiel für gezielte Genbearbeitung, die Tomatenfrucht, die auf diese Weise zur Produktion von GABA (γ-Aminobuttersäure) rekrutiert werden kann.
Die Forscher verwendeten Hoko-3, einen spezifischen Stamm der P. frutescens. Die in dieser Studie vorgelegten Daten zeigen, dass Hoko-3 von Pflanze zu Pflanze genetisch sehr ähnlich ist, teilweise weil es sich um eine selbstbefruchtende Pflanze handelt, was es ideal als Kandidat für die gezielte Genbearbeitung macht. Genetisches Material wurde aus jungen hydroponisch gezüchteten Blättern unter Verwendung eines Genomic-tip-Kits entnommen. Sie sequenzierten die DNA mehrmals mit dem Sequel IIe-Sequenzer von PacBio, und eine Software zur Konsensbildung half ihnen, zusammenhängende Sequenzen mit sehr hoher Auflösung zu erzeugen.
„Wir haben mit PacBio HiFi-Reads eine hochkontinuierliche Genomanordnung von in Japan domestiziertem Rotem Perilla erreicht“, sagte Erstautorin Keita Tamura. „Wir haben 99,2 % der Anordnung in 20 Pseudochromosomen verankert, von denen sieben Pseudochromosomen aus einem zusammenhängenden Segment bestanden. Unter Verwendung des für Pflanzen entwickelten systematischen Funktionsannotations-Workflows namens ‚Fanflow4Plants‘ haben wir 72.983 Gene von 76.825 proteinkodierenden Genen funktionell annotiert.“
Um Gene in der Genomassemblierung zu annotieren, wurden zwei komplementäre Prozesse mit jeweils einzigartigen Stärken in der Sequenzierung verwendet und die Daten kombiniert. „Die Anzahl der Genmodelle, die in dieser Studie durch die Kombination von zwei evidenzbasierten Annotationen und der Genvorhersagemethode (BRAKER2) annotiert wurden, betrug 86.258, was fast dem Doppelten des zuvor zusammengesetzten P. frutescens-Genoms (43.527 Gene) entspricht und nahe an der Anzahl der Gene liegt bei einer anderen tetraploiden Lamiaceae-Art, Salvia splendens (88.489 Gene), beschrieben“, schrieben Tamura und seine Co-Autoren.
Nachdem die Forscher nun über eine qualitativ hochwertige Genomzusammensetzung von Hoko-3 verfügen, können sie mit den nächsten Schritten fortfahren, um das einzigartige Potenzial der Pflanze freizusetzen.
„Die in dieser Studie erhaltene Genomzusammensetzung und die funktionellen Anmerkungen werden zum Abbau der Zielgene für die Genombearbeitung von rotem Perilla verwendet“, sagte Tamura. „Es könnte möglich sein, die Anreicherung wertvoller sekundärer Pflanzenstoffe im Inneren der Pflanze zu verbessern.“
Mehr Informationen:
Keita Tamura et al., Eine hochkontinuierliche Genomanordnung des in Japan domestizierten Roten Perilla (Perilla frutescens), DNA-Forschung (2022). DOI: 10.1093/dnares/dsac044