Новий метод хромосомного маркування розкриває генетичні таємниці люцерни

Люцерна, яку часто називають «королевою кормових культур», відіграє вирішальну роль у харчуванні тварин та сталому сільському господарстві. Однак її складна генетична структура, що походить від автотетраплоїдного геному з малими та надзвичайно однорідними хромосомами, тривалий час створювала значні перешкоди для молекулярно-цитогенетичних досліджень.

20 вересня 2024 року дослідницька група з Університету Шихезі та Китайської академії наук опублікувала революційне дослідження в журналі Horticulture Research, представивши систему олігонуклеотидного флуоресцентного гібридизаційного маркування (Oligo-FISH), спеціально розроблену для ідентифікації хромосом люцерни.

Традиційні методи ідентифікації хромосом, такі як флуоресцентна гібридизація in situ (FISH), мали обмежену специфічність та ефективність, що ускладнювало розрізнення окремих хромосом у поліплоїдних видів. Через це детальний каріотипний аналіз та розуміння хромосомної еволюції люцерни залишалися неповними, підкреслюючи нагальну потребу в інноваційних інструментах для розшифрування її генетичної архітектури.

Шляхом розробки 21 олігонуклеотидного зонда, кожен з яких націлений на конкретну хромосому, дослідники успішно картували каріотип 10 культивованих сортів люцерни. Їхня робота не лише забезпечила комплексну хромосомну схему, але й виявила природні хромосомні аномалії, що дало глибше розуміння генетичної стабільності цієї важливої культури.

У центрі цього дослідження — розробка специфічної для хромосом системи штрих-кодів, яка дозволяє одночасно ідентифікувати всі вісім хромосом люцерни. Результати показали, що хромосома 2 особливо схильна до структурних варіацій: чотири з семи виявлених аномалій виникли саме в цій хромосомі. Крім того, дослідники виявили великі делеції хромосомних сегментів та анеуплоїдію в насінні трьох сортів люцерни. Хоча загальна частота цих аномалій була відносно низькою — виявлено лише у 7 з 173 досліджених насінин — дослідження підкреслює загалом стабільне генетичне успадкування люцерни.

Одним з найбільш вражаючих відкриттів була значна варіація наявності/відсутності (PAV) у хромосомі 2, що потенційно пояснює її схильність до аномалій. Тим часом хромосома 6, незважаючи на найнижчу послідовність варіацій, демонструвала випадки анеуплоїдії в певному насінні, що свідчить про те, що на хромосомну стабільність можуть впливати фактори, що виходять за межі відмінностей послідовності ДНК.

«Ця система штрих-кодування Oligo-FISH знаменує важливий етап у цитогенетиці люцерни», — зазначив доктор Чжуан Менг, головний автор дослідження. «З можливістю точної ідентифікації хромосом ми можемо отримати безпрецедентне розуміння генетичної стабільності та еволюційної динаміки люцерни — знання, які значно прискорять селекційні досягнення та підвищать продуктивність сільського господарства».

Вплив цього дослідження виходить далеко за межі селекції люцерни. Пропонуючи детальну хромосомну карту, ця технологія забезпечує селекціонерів інструментами для відбору більш стабільних, високоврожайних сортів люцерни, зміцнюючи глобальну безпеку кормів для тваринництва. Більше того, методологія може бути адаптована для інших поліплоїдних культур, потенційно революціонізуючи цитогенетику рослин у цілому.

Оскільки попит на стале сільське господарство продовжує зростати, цей передовий підхід прокладає шлях до більш стійкого та продуктивного майбутнього для люцерни та інших важливих сільськогосподарських культур.