Repræsenterer noget af det mest besværlige landbrugsukrudt, vandhamp, glat svinemad og Palmer amaranth påvirker afgrødeproduktionssystemer i hele USA og andre steder med ringvirkninger, der mærkes af økonomier verden over. I en skelsættende undersøgelse har forskere offentliggjort den mest omfattende genominformation til dato for alle tre arter, hvilket markerer en ny æra med videnskabelig opdagelse mod potentielle løsninger.
"Disse genomsamlinger vil i høj grad fremme yderligere forskning i disse vanskelige ukrudtsarter, herunder en bedre forståelse af, hvordan de undgår skade fra herbicider," siger Pat Tranel, professor og associeret leder af Institut for Afgrødevidenskab ved University of Illinois og medforfatter på studiet Genome Biology and Evolution.
Udkast til genomer var allerede blevet offentliggjort for vandhamp og Palmer amaranth, men teknikker brugt i Genome Biology and Evolution-studiet giver et meget klarere og rigere billede af artens gensekvenser, hvilket er en forudsætning for mange genomiske undersøgelser.
Alle tre genomer blev samlet ved hjælp af avanceret langlæst sekventering, som bibeholder integriteten og kontinuiteten af genomet på samme måde som store puslespilsbrikker giver et klarere billede af helheden end små brikker. I Palmer amaranth blev en yderligere sekventeringsteknologi (chromatin conformation capture sequencing) brugt til yderligere at bestille stykker af genomet, der blev samlet ved hjælp af den langlæste information.
"Målet med enhver genomsamling er at afsløre det komplette arrangement af gener i genomet, opdelt i kromosomstore fragmenter. Desværre har kvalitetsgenomsamlinger indtil for nylig været meget arbejdskrævende og dyre. De tidligere offentliggjorte udkast til genomer for disse arter rapporterede, at genomet var opdelt i tusindvis af stykker, mens de samlinger, vi rapporterer, er nede på hundredvis. Langt størstedelen af sekvensen er nu samlet i meget store fragmenter," siger Jacob Montgomery, en kandidatstuderende, der arbejder med Tranel og førsteforfatter på undersøgelsen.
For yderligere at forbedre samlingen af genomerne for vandhamp og glat svinemad brugte holdet en innovativ tilgang kendt som trio binning, udviklet i kvæg. Ikke alene havde denne teknik aldrig før været fuldt udnyttet i planter, den var heller ikke blevet brugt med forældre fra forskellige arter.
I normal reproduktion bidrager mandlige og kvindelige forældre hver med en kopi af hvert gen til deres afkom. I dette tilfælde er afkom diploide, hvilket betyder, at de har to kopier af hvert gen. I undersøgelsen skabte holdet hybridafkom fra to separate arter: vandhamp og glat svinemad. Disse afkom er stadig diploide, men trio-binning-teknikken gjorde det muligt for forskerne at trække fra hinanden og isolere de to kopier fra hver forældreart, hvilket resulterede i haploide (enkeltkopi) genomer for hver.
"Denne tilgang løste et problem i den tidligere vandhamp-genomsamling. Når forældrealleler (kopier af hvert gen) er meget forskellige fra hinanden, som det ofte er tilfældet ved udkrydsning af arter såsom vandhamp, er genomsamlingsprogrammet tolker dem til at være forskellige gener," siger Tranel. "Med kun én allel fra hver art var vi i stand til at opnå en meget renere samling af deres gensekvenser."
Detlef Weigel, direktør for Max Planck Institute for Developmental Biology og medforfatter på undersøgelsen, tilføjer: "Jeg er en stor fan af de nye avancerede sekventeringsteknikker, men selvom de teoretisk set burde være tilstrækkelige til at sortere ud af arrangementet af gener, i praksis er de det ikke. Det er her genetik kan hjælpe, ved at bruge information om, hvorvidt gener er arvet fra mor eller far. Dette gjorde det muligt for os at tildele hvert gen til enten et matern alt eller faderligt kromosom."
Forskerne valgte specifikt vandhamp som den mandlige forælder i det glatte svinemad × vandhamp-kryds, fordi det tidligere offentliggjorte vandhamp-genom var fra en hunplante. Tranel søger forskning for at forstå det genetiske grundlag for mandlighed og kvindelighed i vandhamp og Palmer amaranth, med potentielle anvendelser til at introducere kvindelig sterilitet som en fremtidig kontrolmetode.
"Genomerne af han-vandhampen og Palmer amaranth har allerede gjort min gruppe i stand til at gøre hurtige fremskridt med at identificere de potentielle gener, der kunne være ansvarlige for bestemmelsen af køn (han eller hun) i begge arter," siger Tranel..
Vigtigt er det, at genomerne for alle tre arter kan begynde at afsløre problemet med herbicidresistens i disse ukrudt. Flere og flere forskere afslører beviser for ikke-målstedet eller metabolisk resistens i vandhamp og Palmer amaranth, hvilket gør det muligt for ukrudtet at afgifte herbicider, før de kan forårsage skade. Desværre er det norm alt meget svært at afgøre, hvilket specifikt enzym blandt hundredvis er ansvarligt for at afgifte ukrudtsmidlet.
Nu vil forskere i det væsentlige være i stand til at sortere gennem en liste for at finde den skyldige med håbet om enten at slå det ansvarlige enzym ud eller modificere herbicidmolekylet for at undgå afgiftning.
"Innovation er afgørende for fremtiden for landbruget. Vi hos BASF arbejder kontinuerligt på at forbedre vores produkter og tjenester, herunder bæredygtige løsninger til håndtering af herbicid-resistent ukrudt. Vi ønsker bedre at forstå amaranths biokemiske resistensmekanismer i for at tilbyde landmænd nye produkter og løsninger til optimal bekæmpelse af nøgleukrudt," siger Jens Lerchl, leder af tidlig biologisk forskning i herbicider hos BASF og medforfatter af studiet. Lerchl koordinerede Palmer amaranth-genomarbejdet med KeyGene/Wageningen -Holland.
"Området for genomsekventering er yderst dynamisk. Derfor valgte BASF KeyGene som partner for både nyeste sekventeringsteknologi og bioinformatik. Sammen med ekspertisen fra University of Illinois og Max Planck Society var vi i stand til at sammenligne genomer og adressere specifikke biologiske emner," siger Lerchl. Ud over at samarbejde om denne forskning er BASF også et stiftende medlem af International Weed Genomics Consortium, ledet af Colorado State University, der sigter mod sekventering og analyse af ti højt prioriterede nøgleukrudt.
