Исследования эволюционных (или филогенетических) взаимоотношений между различными видами растений традиционно основывались на анализе ограниченного числа генов, в основном из генома хлоропластов. Такие исследования часто не могут полностью или точно определить филогенетические отношения, учитывая ограниченный объем используемых данных.
Новые методы секвенирования ДНК позволили исследователям секвенировать от сотен до тысяч конкретных ядерных генов, что значительно облегчило изучение филогенетических взаимоотношений. Однако, несмотря на большой потенциал этого подхода, называемого «захват последовательности-мишени», немногие исследователи разработали протоколы для секвенирования многочисленных ядерных генов для филогенетических исследований растений.
Исследователи из Университета Мемфиса, Смитсоновского института, Университета Джорджии и других учреждений разработали эффективный подход к секвенированию сотен ядерных генов у представителей семейства сложноцветных (семейство подсолнечников). Compositae – одно из крупнейших семейств цветковых растений, насчитывающее около 25000 видов и множество экономически важных сельскохозяйственных культур, таких как салат, подсолнечник и артишок, а также многочисленные декоративные растения.
Новый протокол (доступен для бесплатного просмотра в февральском выпуске журнала Applications in Plant Sciences) позволит исследователям лучше определять филогенетические отношения как на глубоком, так и на поверхностном уровне внутри семьи, обеспечивая отличную основу для решения эволюционных вопросов о семье.
Предыдущие филогенетические исследования семейства, основанные на использовании до 10 генов хлоропластов, не смогли разрешить некоторые ключевые взаимосвязи, что ограничивает выводы о морфологической эволюции.
По словам Дженнифер Мандель, доцента кафедры биологических наук Университета Мемфиса и ведущего автора статьи, новый подход является усовершенствованием традиционных стратегий секвенирования на основе ПЦР, которые, как правило, сосредоточены на генах хлоропластов или некоторых из них. ядерные гены. «Наш метод делает выборку генома гораздо шире, избегая при этом повторяющихся участков, из-за которых многие геномы растений так сложно собрать», – говорит Мандель.
В протоколе используются специально разработанные зонды, которые могут гибридизоваться и «захватывать» 1061 ядерный ген из образцов ДНК видов подсолнечника.
Затем захваченные гены можно секвенировать на Illumina HiSeq или аналогичной платформе секвенирования нового поколения, что позволяет восстанавливать огромные объемы данных для филогенетического анализа.
Исследователи также разработали биоинформатический и филогенетический рабочий процесс для обработки и анализа полученных данных последовательностей. Рабочий процесс собирает гены из миллионов считываний, сгенерированных инструментом для секвенирования, а затем оценивает все восстановленные гены на предмет ортологии (i.е., за их способность отражать события видообразования и, следовательно, точно реконструировать филогенетические отношения). Гены, прошедшие тест на ортологию, затем используются для крупномасштабных филогенетических анализов.
Исследователи протестировали эффективность зондов и общий рабочий процесс с использованием 14 видов из семейства (и одного из его ближайшего родственника, Calyceraceae). Выбранные виды охватывают филогенетическую широту семейства, что позволяет исследователям оценить полезность метода на широких таксономических уровнях.
Несколько близкородственных видов (из трибы Heliantheae) также были включены для оценки полезности метода для неглубоких филогенетических исследований в пределах сложноцветных.
Исследователи смогли успешно восстановить большую часть из 1061 гена-мишени для всех включенных видов, и около 700 из этих генов были признаны ортологичными и, следовательно, подходящими для филогенетического анализа.
Используя эти ортологичные гены, они смогли создать хорошо разрешенные филогенетические деревья, согласующиеся с известными взаимоотношениями в семье, демонстрируя успешность этого подхода для филогенетических исследований сложноцветных.
Хотя набор зондов был разработан специально для исследования семейства подсолнечников, исследователи отмечают, что общий рабочий процесс может быть применен к любой таксономической группе, представляющей интерес.
Таким образом, этот протокол может служить моделью для филогенетических исследований других основных групп растений, а также отличным инструментом для изучения сложноцветных растений.
«Новые зонды могут быть разработаны до тех пор, пока существуют транскриптомные данные, или могут быть собраны для интересующих таксонов», – говорит Мандель.