Roślina Nicotiana benthamiana z rodziny Solanaceae jest jednym z najczęściej stosowanych modeli eksperymentalnych w nauce o roślinach. W 2020 roku grupa badawcza na Uniwersytecie Nagoya w Japonii poinformowała, że ​​N. benthamiana można szczepić roślinami z różnych rodzin, wykazując rzadką zdolność, którą wielu badaczy uważało za niemożliwą.

Teraz ta sama grupa badawcza wykorzystała technologię sekwencjonowania nowej generacji do odkodowania wszystkich genów w genomie rośliny tytoniu N. benthamiana. Ich odkrycia dają wgląd w to, w jaki sposób rośliny są w stanie wykonać to szczepienie. Ich wyniki zostały opublikowane w Fizjologia roślin i komórek.

Struktura genomu N. benthamiana od dawna pozostaje tajemnicą. Jego złożony genom powstał w wyniku hybrydyzacji, co oznacza, że ​​jego chromosomy pochodzą z dwóch gatunków roślin. Zdarzenie hybrydyzacji miało miejsce około 10 milionów lat temu między dwoma blisko spokrewnionymi gatunkami roślin: ojcowskim Sylvestres i matczynym Tomentosae. Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, nadal ewoluował poprzez kilka zdarzeń hybrydyzacji.

Ponieważ genom roślin, takich jak N. benthamiana, jest tak duży, naukowcy mają trudności z analizowaniem go w całości przy użyciu obecnej technologii. Dlatego, aby badać go bardziej efektywnie, naukowcy pocięli go na mniejsze fragmenty w celu sekwencjonowania, tworząc tak zwaną bibliotekę DNA. Krótkie sekwencje uzyskane po sekwencjonowaniu nowej generacji pofragmentowanych bibliotek DNA nazywane są odczytami. Sekwencje te są następnie składane przy użyciu ich nakładających się regionów w celu utworzenia większych sekwencji, zwanych kontigami. Biorąc pod uwagę, że kolejność zasad w kontigach jest znana, informacja ta może być wykorzystana do łączenia kontigów w celu stworzenia dłuższych sekwencji zwanych rusztowaniami.

Chociaż podjęto próby analizy genomu N. benthamiana poprzez pofragmentowanie go na 141 000 rusztowań, jego złożona struktura duplikacji sprawia, że ​​​​struktura chromosomu jest niejasna, a analiza genetyki molekularnej trudna. Podobnie jak w przypadku układanki, łatwiej jest wyobrazić sobie obraz kompletnej układanki złożonej z garstki elementów niż układanki składającej się ze 141 000 elementów.

„N. benthamiana ma złożoną strukturę genomu. Ze względu na jego złożoność znane były tylko fragmentaryczne informacje DNA, co stanowiło przeszkodę w badaniach genetycznych” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Michitaka Notaguchi, główny autor badania. „Wiele rzeczy było nieznanych, w tym stan między genami i informacje o sekwencji w regionach regulatorowych ekspresji genów, co stanowiło barierę dla dalszej analizy genetycznej”.

Grupa badawcza kierowana przez Kenichiego Kurotaniego, specjalnie wyznaczonego wykładowcę, oraz Notaguchiego z Research Center for Bioscience and Biotechnology, Nagoya University, we współpracy z Mass Genetic Information Laboratory, National Institute of Genetics i Kazusa DNA Research Institute, przeprowadziła sekwencjonowanie większość genomu N. benthamiana. Korzystając z najnowszej technologii sekwencjonowania nowej generacji, naukowcy przyjrzeli się możliwie dokładnie na poziomie chromosomów. To pozwoliło im cofnąć się w historii genetycznej gatunku dalej niż kiedykolwiek wcześniej.

Naukowcy uzyskali sekwencjonowanie 95,6% całego genomu i byli w stanie uzyskać 1668 rusztowań, znacznie mniej niż w poprzednich badaniach, co znacznie ułatwiło skonstruowanie „układanki”. Spośród tych rusztowań 21 większych miało rozmiar całego chromosomu.

Stwierdzono, że N. benthamiana ma złożoną mieszaninę sekwencji genomu krzyżujących się gatunków rodzicielskich. Sekwencje genomu były ze sobą tak powiązane, że nie można było ich wyraźnie rozróżnić, co wskazuje na starożytne pochodzenie hybrydyzacji. Oszacowali, że N. benthamiana i pokrewny N. tabacum prawdopodobnie zmieniły kierunek 3 do 7 milionów lat temu.

„Badania te znacznie ułatwiły analizę genetyczną N. benthamiana, dostarczając zaktualizowanych informacji na temat sekwencji regionów regulatorowych ekspresji genów, powiązań na chromosomie i liczby genów. Brakowało tych informacji” – wyjaśnia Kurotani.

„To dekodowanie genomu ułatwi zastosowanie technologii edycji genomu, która ma być wykorzystywana w badaniach nad roślinami w przyszłości. Powinno to przyspieszyć badania naukowe nad roślinami, a także opracowanie skuteczniejszych metod wykorzystania N. benthamiana i jego unikalnej zdolności przeszczepiania. Teraz, gdy wszystkie informacje zostały ujawnione poprzez sekwencjonowanie genomu, łatwiej jest traktować N. benthamiana jako przedmiot badań”.