הצלחה מתוקה: הקוד הגנטי המורכב של קנה הסוכר נסדק

פרסומת
X-ray_Promo1


קנה סוכר היברידי מודרני הוא אחד הגידולים הנקצרים ביותר על פני כדור הארץ, המשמש לייצור מוצרים הכוללים סוכר, מולסה, ביואתנול וחומרים מבוססי ביו. יש לו גם את אחת השרטוטים הגנטיים המורכבים ביותר.

פרסומת

עד כה, הגנטיקה המסובכת של קנה הסוכר הפכה אותו לגידול העיקרי האחרון ללא גנום שלם ומדויק במיוחד. מדענים פיתחו ושילבו טכניקות מרובות כדי למפות בהצלחה את הקוד הגנטי של קנה הסוכר. עם המפה הזו, הם הצליחו לאמת את המיקום הספציפי המספק עמידות למחלת החלודה החומה המשפיעה, אשר, ללא בדיקה, עלולה להרוס יבול סוכר. חוקרים יכולים גם להשתמש ברצף הגנטי כדי להבין טוב יותר את הגנים הרבים המעורבים בייצור סוכר.

המחקר נערך כחלק מתוכנית מדעי הקהילה במכון הגנום המשותף של מחלקת האנרגיה של ארה"ב (JGI), מתקן משתמש של משרד המדעי של DOE במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי). המחקר מתפרסם היום בכתב העת טֶבַעוהגנום זמין דרך פורטל הצמחים של JGI, Phytozome.

"זה היה רצף הגנום המסובך ביותר שעדיין השלמנו", אמר ג'רמי שמוץ, מוביל תוכנית הצמחים ב-JGI וחוקר הפקולטה במכון HudsonAlpha לביוטכנולוגיה. "זה מראה כמה רחוק הגענו. זה מסוג הדברים שלפני 10 שנים אנשים חשבו שהם בלתי אפשריים. אנחנו מסוגלים להשיג מטרות עכשיו שפשוט לא חשבנו שאפשר לעשות בגנומיקה של צמחים".

הגנום של קנה סוכר הוא כל כך מורכב הן בגלל שהוא גדול והן בגלל שהוא מכיל יותר עותקים של כרומוזומים מאשר צמח טיפוסי, תכונה הנקראת פוליפלואידה. לקני סוכר יש כ-10 מיליארד זוגות בסיסים, אבני הבניין של ה-DNA; לשם השוואה, לגנום האנושי יש כ-3 מיליארד. חלקים רבים מה-DNA של קני סוכר זהים הן בתוך הכרומוזומים השונים והן על פניהם. זה הופך את זה לאתגר להרכיב מחדש את כל המקטעים הקטנים של ה-DNA תוך בנייה מחדש של התוכנית הגנטית המלאה. החוקרים פתרו את החידה על ידי שילוב של טכניקות ריצוף גנטיות מרובות, כולל שיטה חדשה שפותחה המכונה PacBio HiFi רצף שיכולה לקבוע במדויק את הרצף של קטעים ארוכים יותר של DNA.

קיים "גנום התייחסות" מלא מקל על חקר קנה הסוכר, ומאפשר לחוקרים להשוות את הגנים והמסלולים שלו לאלו בגידולים אחרים שנחקרו היטב כמו דורה או גידולי דלק ביולוגי אחרים בעלי עניין, כמו סוויץ' גראס ומסקנתוס. על ידי השוואת התייחסות זו לגידולים אחרים, קל יותר להבין כיצד כל גן משפיע על תכונה של עניין, כגון אילו גנים מתבטאים מאוד במהלך ייצור סוכר, או אילו גנים חשובים לעמידות למחלות. מחקר זה מצא כי הגנים האחראים לעמידות לחלודה חומה, פתוגן פטרייתי שגרם בעבר לנזק של מיליוני דולרים לגידולי קני סוכר, נמצאים רק במיקום אחד בגנום.

"כאשר רצפנו את הגנום, הצלחנו למלא פער ברצף הגנטי סביב מחלת החלודה החומה", אמר אדם הילי, מחבר המאמר הראשון וחוקר בהדסון אלפא. "יש מאות אלפי גנים בגנום של קנה הסוכר, אבל זה רק שני גנים, שפועלים יחד, שמגנים על הצמח מפני הפתוגן הזה. על פני צמחים, יש רק קומץ מקרים שאנחנו מכירים שבהם ההגנה פועלת במצב דומה. הבנה טובה יותר של איך עמידות למחלה זו פועלת בקני סוכר יכולה לעזור להגן על יבולים אחרים המתמודדים עם פתוגנים דומים בהמשך הדרך."

חוקרים חקרו זן של קנה סוכר המכונה R570 המשמש במשך עשרות שנים ברחבי העולם כמודל להבנת הגנטיקה של קנה הסוכר. כמו כל זני קנה הסוכר המודרניים, R570 הוא הכלאה המיוצר על ידי חציית מינים מבויתים של קנה סוכר (שהצטיינו בייצור סוכר) ומין בר (שנשא את הגנים לעמידות למחלות).

"הכרת התמונה הגנטית השלמה של R570 תאפשר לחוקרים לעקוב אחר הגנים שמקורם מאיזה הורה, מה שיאפשר למגדלים לזהות ביתר קלות את הגנים השולטים בתכונות המעניינות לייצור משופר", אמרה אנג'ליק ד'הונט, מחברת אחרונה של המאמר וקנה סוכר. חוקר במרכז המחקר החקלאי הצרפתי לפיתוח בינלאומי (CIRAD).

לשיפור זנים עתידיים של קני סוכר יש יישומים פוטנציאליים הן בחקלאות והן בביו-אנרגיה. שיפור האופן שבו קני סוכר מייצרים סוכר עשוי להגדיל את התשואה שהחקלאים מקבלים מהיבולים שלהם, לספק יותר סוכר מאותה כמות שטח גידול. קנה סוכר הוא חומר מוצא חשוב לייצור דלק ביולוגי, במיוחד אתנול ומוצרים ביולוגיים אחרים. השאריות שנשארות לאחר הכבישה של קני סוכר, המכונה באגסה, הן סוג חשוב של שאריות חקלאיות שניתן גם לפרק ולהמיר לביו-דלקים ולמוצרים ביולוגיים.

"אנחנו עובדים כדי להבין כיצד גנים ספציפיים בצמחים קשורים לאיכות הביומסה שאנו מקבלים במורד הזרם, שאותה נוכל להפוך לדלק ביולוגי ולמוצרים ביולוגיים", אמר בלייק סימונס, סמנכ"ל המדע והטכנולוגיה של המכון המשותף לאנרגיה ביו-אנרגיה, מטעם DOE. מרכז מחקר ביו-אנרגיה בהובלת מעבדת ברקלי. "עם הבנה טובה יותר של גנטיקה של קני סוכר, נוכל להבין ולשלוט טוב יותר בגנוטיפים של הצמחים הדרושים לייצור הסוכרים וחומרי הביניים שמקורם באגס שאנו צריכים עבור טכנולוגיות המרת קני סוכר בר-קיימא בקנה מידה רלוונטי לביו-כלכלה".

מחקר זה כלל שיתופי פעולה עם מכונים מרחבי העולם, כולל צרפת (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); אוסטרליה (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Center of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture – University of Queensland, Sugar Research Australia); צ'כיה (המכון לבוטניקה ניסויית של האקדמיה הצ'כית למדעים); וארצות הברית (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). הגנום רושם ב-JGI עם עבודה שהושלמה במעבדות השותפות של JGI, ב- Arizona Genomics Institute וב- HudsonAlpha Institute for Biotechnology.



קישור לכתבת המקור – 2024-03-27 18:48:02

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר