Kompleksowe genotypowanie i fenotypowanie zasobów genetycznych roślin w europejskich bankach genów
Od początku XX wieku, kiedy wiele tradycyjnych odmian upraw przestało odpowiadać nowoczesnym praktykom rolniczym, kraje zaczęły tworzyć banki genów w celu ochrony różnorodności genetycznej upraw i ich dzikich gatunków potomnych. Około 7,4 miliona jednoznacznie zidentyfikowanych próbek materiału genetycznego roślin (obiektów) jest obecnie przechowywanych w ponad 1750 bankach genów na całym świecie. Te zasoby genetyczne roślin(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – nasiona, tkanki lub DNA – zawierają kluczowe informację, które mogą umożliwić adaptację upraw do zmieniającego się klimatu. Pomimo ich dużego znaczenia potencjał zasobów genetycznych roślin pozostaje niewykorzystany ze względu na ograniczone informacje na temat ich właściwości genetycznych i fenotypowych, a także niepewność co do redundancji między kolekcjami od dziesięcioleci wymiany materiałów. Z wyzwaniami tymi postanowił się zmierzyć zespół finansowanego przez UE projektu AGENT(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Wykorzystując pszenicę i jęczmień, dwie kluczowe europejskie rośliny uprawne, zespół AGENT zademonstrował, w jaki sposób skoordynowane zarządzanie i charakterystyka zasobów genetycznych w europejskiej sieci banków genów może zwiększyć ich wartość dla hodowli upraw odpornych na zmiany klimatu.
Budowanie gęstych, wysokiej jakości danych genomowych na temat obiektów
Głównym zadaniem projektu AGENT było wygenerowanie wysokiej jakości danych genomowych, choć na ograniczoną skalę. „Informacje genotypowe pozwalają na precyzyjną identyfikację poszczególnych obiektów, ujawniając genetycznie identyczne, wysoce podobne lub unikatowe materiały. Unikatowe genotypy podkreślają nienadmiarową różnorodność o globalnym znaczeniu, która jest zachowana ex situ w bankach genów”, wyjaśnia koordynator projektu AGENT Nils Stein z Instytutu im. Leibniza Genetyki Roślin i Badań nad Roślinami Uprawnymi(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Ponadto, genotypy współdzielone przez różne banki genów są interesujące w kontekście analizy porównawczej danych fenotypowych w różnych warunkach klimatycznych. Zespół AGENT przeprowadził genotypowanie wybranych podzbiorów około 500 pszenicy i/lub 500 jęczmienia w każdym z ponad 10 uczestniczących banków genów. To pilotażowe genotypowanie, choć niewystarczające do kompleksowego zmapowania różnorodności, wskazuje na koncepcyjną wartość gęstych danych genomowych dla zarządzania bankiem genów, badań i hodowli.
Integracja danych FAIR
Banki genów zbierają informacje fenotypowe dotyczące swoich kolekcji. Aby dane spełniały zasady możliwe do znalezienia, dostępne, interoperacyjne i nadające się do ponownego wykorzystania(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (FAIR), banki genów konsorcjum współpracowały nad formatami i standardami danych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i zarządzaniem danymi(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w celu zarządzania historycznymi danymi pszenicy i jęczmienia oraz generowania nowych danych. Umożliwiło to zintegrowane analizowanie połączonych indywidualnych zestawów danych. „Przeglądanie poszczególnych kolekcji w kontekście znacznie większego zbioru danych jest szczególnie przydatne dla użytkowników mniejszych kolekcji, które mogą nie być reprezentatywne dla globalnej zmienności w obrębie gatunku”, zauważa Stein.
Informacje genotypowe i fenotypowe w sieci banków genów z uwzględnieniem klimatu
Zdefiniowany zestaw komercyjnych zasobów genetycznych pszenicy i jęczmienia był wymieniany między bankami genów AGENT i udostępniony firmom hodowlanym i spółdzielniom rolniczym w celu przeprowadzenia wieloletnich ocen na polach. Nowo wygenerowane informacje fenotypowe wraz z historycznymi informacjami fenotypowymi i genotypowymi FAIRified umożliwiły identyfikację podobnych pod względem klimatycznym lokalizacji banku genów („mega-środowisk”). W przyszłości gęste informacje genotypowe i podzbiory danych fenotypowych na temat populacji w globalnych bankach genów mogą zostać wykorzystane do przewidywania fenotypów dla niescharakteryzowanych obiektów w porównywalnych warunkach. Kompleksowe genotypowanie i fenotypowanie w kolekcjach banków genów sprawi, że różnorodność genetyczna roślin ukształtowana przez wcześniejszą adaptację do klimatu byłaby dostępna na potrzeby badań i hodowli. Ujawnił również zakres, w jakim zasoby genetyczne roślin nadal dostosowują się lub ewoluują od czasu ich wprowadzenia do baz. „Projekt AGENT pokazał potencjał interdyscyplinarnej współpracy oraz genotypowania i fenotypowania FAIR w celu wzmocnienia wysiłków hodowlanych”, dodaje Stein. „Zastosowanie tych koncepcji na dużą skalę, przy wsparciu zwiększonego finansowania, umożliwi europejskiej sieci banków genów dostarczanie strategicznie dobranych zasobów genetycznych roślin, co wesprze ulepszanie upraw, adaptację do klimatu i długoterminowe bezpieczeństwo żywnościowe”.
