Οι ερευνητές ολοκλήρωσαν τη χαρτογράφηση των γονιδιωμάτων Frantoio, Leccino

Περίληψη

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών χαρτογράφησε το πλήρες γονιδίωμα των ποικιλιών ελιάς Leccino και Frantoio, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την κατανόηση της γενετικής της ελιάς και την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών δέντρων ενόψει της κλιματικής αλλαγής. Συγκρίνοντας τα γονιδιώματα αυτών των δύο ποικιλιών, οι ερευνητές στοχεύουν στον εντοπισμό γονιδίων που σχετίζονται με τις αντιδράσεις στο στρες και ενδεχομένως στη χρήση τεχνικών επεξεργασίας γονιδίων για την ενίσχυση χαρακτηριστικών όπως η ανοχή στο αλάτι. Αυτή η γονιδιωματική έρευνα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην καλλιέργεια της ελιάς, οδηγώντας σε πιο παραγωγικές και καινοτόμες λύσεις για τους καλλιεργητές που αντιμετωπίζουν προκλήσεις στο μεσογειακό κλίμα.

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών χαρτογράφησε το πλήρες γονιδίωμα των ποικιλιών ελιάς Leccino και Frantoio.

Η γονιδιωματική χαρτογράφηση των δύο ιθαγενών ιταλικών ποικιλιών, που καλλιεργούνται πλέον σε δεκάδες χώρες, θα επιτρέψει στους ερευνητές να τις συγκρίνουν και να ανοίξουν το δρόμο για μια βαθύτερη κατανόηση της γενετικής της ελιάς.

"Σε περιόδους κλιματική αλλαγή«Η γνώση περισσότερων για τη γονιδιωματική των ελαιόδεντρων σημαίνει γνώση περισσότερων για το πώς αυτά τα δέντρα αντιδρούν σε σημαντικούς και μερικές φορές νέους περιβαλλοντικούς παράγοντες στρες», δήλωσε ο Luca Sebastiani. 

Ο συντονιστής της μελέτης, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής κηπευτικών επιστημών στη Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, δήλωσε: Olive Oil Times ότι η γονιδιωματική θα μπορούσε να αποφέρει πιο ανθεκτικούς ελαιώνες στη λεκάνη της Μεσογείου.

"Για να προσαρμοστούμε στην κλιματική αλλαγή, χρειαζόμαστε ανθεκτικοί γονότυποι, καθώς και κατάλληλες αγρονομικές τεχνικές», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι. ​"Εάν υπάρχει έλλειψη νερού, θα χρειαστεί άρδευση, αλλά και ποικιλίες που χρησιμοποιούν το νερό αποτελεσματικά. Υπάρχουν επίσης προκλήσεις που σχετίζονται με υψηλότερες θερμοκρασίες, νέα ευαισθησία σε παθογόνα και επιθέσεις εντόμων. 

"«Η χαρτογράφηση γονιδίων είναι ένα από τα εργαλεία που μπορούν να μας επιτρέψουν να βρούμε λύσεις πιο γρήγορα», πρόσθεσε.

Ενώ η επεξεργασία γονιδίων ελιάς βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο, η σύγκριση των γονιδιωμάτων των δύο ποικιλιών θα μπορούσε να αποφέρει πιο ανθεκτικά δέντρα πιο γρήγορα από τα παραδοσιακά προγράμματα βελτίωσης. 

Τόσο ο Frantoio όσο και ο Leccino είναι καλά τεκμηριωμένοι στην επιστημονική βιβλιογραφία, όπως και η συμπεριφορά τους όταν αντιμετωπίζουν περιβαλλοντικό στρες.

"«Οι αντιδράσεις τους στο στρες, τόσο η ξηρασία όσο και ιδιαίτερα η αλατότητα, αποτελούν πολύ ενδιαφέροντα μοντέλα, επειδή το Frantoio είναι ανεκτικό, ενώ το Leccino λιγότερο», δήλωσε ο Sebastiani.

"«Εργαζόμαστε εδώ και χρόνια για να εξηγήσουμε τον μηχανισμό πίσω από αυτή τη διαφορά, αλλά χωρίς γονιδιωματικά δεδομένα, ήταν πάντα δύσκολο να κατανοήσουμε πλήρως ποια γονίδια μπορεί να εμπλέκονται», πρόσθεσε.

"«Η αλληλούχιση μας επιτρέπει να έχουμε ένα λεξιλόγιο με το οποίο να κατανοήσουμε γιατί αυτές οι δύο ποικιλίες είναι διαφορετικές», σημείωσε ο Σεμπαστιάνι.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η συνήθης πρακτική της επιλογής ποικιλιών ελιάς μέσω της παραδοσιακής βελτίωσης είναι χρονοβόρα και δεν αποδίδει πάντα τα καλύτερα αποτελέσματα.

Στο δικό τους χαρτί, οι ερευνητές σημείωσαν ότι προκύπτουν ανάμεικτα αποτελέσματα από τότε που ​"«Ακριβείς μοριακές πληροφορίες σχετικά με τη θέση και τη δομή των γονιδίων λείπουν σε μεγάλο βαθμό». Χρειάστηκαν στους επιστήμονες περισσότερα από δύο χρόνια για να ολοκληρώσουν τη χαρτογράφηση. 

"«Τα καταφέραμε χάρη στα κεφάλαια από το Εθνικό Σχέδιο Ανάκαμψης και Ανθεκτικότητας της Ιταλίας και χάρη στο γεγονός ότι είμαστε μια αρκετά μεγάλη ομάδα», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι, στην οποία συμμετείχαν επίσης συνάδελφοι από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Βασιλιά Αμπντουλάχ στη Σαουδική Αραβία.

Ένα υψηλό ποσοστό μακρών τερματικών επαναλήψεων βρέθηκε και στις δύο ποικιλίες, υποδεικνύοντας μια σημαντική ομοιότητα στο γονιδίωμά τους.

Οι επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA δεν είναι τυχαίες, καθώς διαμορφώνονται από την εξέλιξη και μπορεί να παίζουν σημαντικούς ρόλους, όπως η διατήρηση της σταθερότητας και της ακεραιότητας του γονιδιώματος.

"«Δεν γνωρίζουμε ακόμη πολύ καλά πώς αλληλεπιδρούν τα διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι. ​"Τώρα που έχουμε αυτές τις πληροφορίες σε διαφορετικές ποικιλίες, μπορούμε να αρχίσουμε να βλέπουμε αυτές τις διαφορές και αυτό θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα το είδος τα επόμενα χρόνια. 

Συνέκρινε την πρόκληση που αντιμετώπισαν οι ερευνητές στη χαρτογράφηση των γονιδιωμάτων των δύο ποικιλιών με την ολοκλήρωση ενός παζλ, όπου τα μισά κομμάτια είναι από έναν καθαρό γαλάζιο ουρανό.

"«Σε μια τέτοια περίπτωση, η σύνδεση των κομματιών του παζλ είναι πολύ πιο περίπλοκη σε σύγκριση με μια άλλη που παρουσιάζει πολλές παραλλαγές», είπε. ​"Αυτό είναι ένα πρόβλημα στις ελιές, επειδή έχουμε πολλές περιοχές με έντονη επαναλαμβανόμενη καλλιέργεια. 

Ο εντοπισμός της θέσης των γονιδίων μέσα σε ένα γονιδίωμα είναι θεμελιώδης για τον μετασχηματισμό των ακατέργαστων αλληλουχιών DNA σε πρακτική γνώση.και βοηθά τους ερευνητές να συνδέσουν ένα γονίδιο με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό, όπως η απόδοση, σύνθεση λαδιού, ή αντοχή σε παράσιτα και ασθένειες. 

Αυτή η γνώση επιταχύνει τα προγράμματα αναπαραγωγής, αντικαθιστώντας την αργή, τυχαία επιλογή με στοχευμένες προσεγγίσεις. 

Η θέση των γονιδίων αποκαλύπτει επίσης πώς ρυθμίζονται και αλληλεπιδρούν, προσφέροντας πληροφορίες για την προσαρμογή και την εξημέρωση. 

Στις ελιές, οι ακριβείς χάρτες επιτρέπουν στους επιστήμονες να συγκρίνουν ποικιλίες, να εντοπίζουν εξελικτικές αλλαγές και να σχεδιάζουν εργαλεία ακριβείας, όπως η αναπαραγωγή με τη βοήθεια δεικτών ή η επεξεργασία γονιδίων, για την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών και υψηλής ποιότητας ποικιλιών.

"«Αυτή η χαρτογράφηση υψηλής ποιότητας μπορεί να γίνει μόνο όταν υπάρχουν τεχνικές που αλληλουχούν πολύ μεγάλα θραύσματα, κάτι που το καθιστά ευκολότερο», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι.

"«Με τα χρόνια, έχει υπάρξει μια τεράστια εξέλιξη στις τεχνικές», πρόσθεσε. ​"Σήμερα έχουμε το PacBio, το οποίο επιτρέπει την αλληλούχιση μεγαλύτερων θραυσμάτων DNA, κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν.

Σε  κατάσταση στρες, όπως αυτή που προκαλείται από αλατότητα του εδάφους ή ξηρασία, μόνο μια χούφτα γονίδια μπορεί να εμπλέκονται, με διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ οι δύο ποικιλίες.

"«Μια μικρή διαφορά στη δομή του γονιδίου ή ακόμα και στην περιοχή του υποκινητή που ρυθμίζει τη λειτουργία του γονιδίου, μπορεί να προκαλέσει την πλήρη μη λειτουργία ενός γονιδίου ή την αύξηση ή τη μείωση της ενεργότητάς του», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι.

Πρόσθεσε ότι η αναγνώριση και η κατανόηση των διαφορών είναι ζωτικής σημασίας.

"«Αν καταλάβω ότι ένα γονίδιο που εμπλέκεται σε ένα συγκεκριμένο είδος στρες έχει μία δομή στο Frantoio και μία άλλη στο Leccino, και λειτουργεί καλύτερα στο Frantoio και χειρότερα στο Leccino, μπορώ επίσης να χρησιμοποιήσω τεχνικές ανάλυσης γονιδιακής έκφρασης, με αλληλούχιση RNA ή άλλες τεχνολογίες, για να δω αν αυτή η δομική παραλλαγή επηρεάζει τη δραστηριότητα», δήλωσε ο Sebastiani.

"«Αν ανακαλύψω ότι όντως ισχύει αυτό, τώρα έχουμε και γενετική επεξεργασία», πρόσθεσε. ​"Στις ελιές, δεν είναι ακόμη πολύ αποτελεσματικό, αλλά θα μπορούσα να ξαναγράψω το γονίδιο Leccino ώστε να μιμείται τη μορφή του γονιδίου Frantoio, μεταφέροντας αυτές τις πληροφορίες έτσι ώστε να λειτουργεί διαφορετικά.

Ωστόσο, ο Sebastiani εξήγησε ότι η έρευνα για την επεξεργασία γονιδίων ελιάς βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο πειραματισμού σε σύγκριση με άλλα είδη. 

"«Δουλεύω επίσης με λεύκες [το γένος των 35 ειδών ιτιάς] με την ομάδα μου», είπε ο Σεμπαστιάνι. ​"Στις λεύκες, μπορούμε ήδη να το κάνουμε. Στις ελιές, το πρόβλημα εξακολουθεί να είναι οι δυσκολίες μετασχηματισμού με αυτές τις τεχνικές επεξεργασίας. Μπορεί να χρειαστούν χρόνια.

Ενώ έχουν σημειωθεί ραγδαίες εξελίξεις στην τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων, ο Σεμπαστιάνι αναγνώρισε ότι ήταν αδύνατο να εκτιμηθεί πόσο καιρό μπορεί να διαρκέσει αυτό. 

Ωστόσο, αναμένει ότι η ταχεία ανάπτυξη της γονιδιωματικής και των συναφών τεχνολογιών θα μπορούσε να έχει αντίκτυπο σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα σε σύγκριση με προηγούμενες προσεγγίσεις.

"«Σήμερα, ακόμη και χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές αλλά με τη βοήθεια της μοριακής βιολογίας, αν διασταυρώσω το Leccino και το Frantoio για να μεταφέρω την ανοχή στο αλάτι, θα πρέπει να περιμένω μέχρι να αναπτυχθεί το φυτό και στη συνέχεια να το δοκιμάσω. Αυτό διαρκεί πολύ χρόνο», είπε.

"«Αν αντίθετα ψάξω απευθείας για τη δομή του γονιδίου, μπορώ ήδη να την παρακολουθήσω με γονιδιωματική ή άλλες τεχνικές», πρόσθεσε ο Σεμπαστιάνι. ​"Σήμερα μπορώ ακόμη και να προσδιορίσω την αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματος με μειωμένο κόστος, και επειδή έχω ήδη το γονιδίωμα αναφοράς, μπορώ να δω ακριβώς πού βρίσκεται αυτό το γονίδιο και σε ποια θέση.

"«Θα μπορούσα να πάρω το Leccino, γνωρίζοντας ότι δύο ή τρία γονίδια αυξάνουν την ανοχή, και να τροποποιήσω μόνο αυτά», σημείωσε. ​"Με το μοντάζ, αν όλα λειτουργούσαν, σε ένα ή δύο χρόνια, θα μπορούσαν να γίνουν στο εργαστήριο. Αυτό θα ήταν ένα μεγάλο βήμα μπροστά.

Η γονιδιωματική και η χαρτογράφηση των γονιδίων της ελιάς θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο για μια νέα προσέγγιση στην καλλιέργεια της ελιάς. 

Ενώ η παραδοσιακή γεωργία συχνά περιλαμβάνει αιωνόβιους ελαιώνες, οι νέοι ελαιώνες που φυτεύονται με τις γενετικά τροποποιημένες ποικιλίες ελιάς θα μπορούσαν να αποδειχθούν κρίσιμοι για την υποστήριξη της παραγωγής στο πλαίσιο ενός θερμότερου και ξηρότερου μεσογειακού κλίματος.

"«Τέτοιες νέες γνώσεις θα μπορούσαν να μεταφραστούν σε αλλαγές στην παραγωγικότητα, την καινοτομία και τις λύσεις για τους καλλιεργητές», δήλωσε ο Σεμπαστιάνι. 

Η ερευνητική ομάδα θα αξιοποιήσει τις νέες γονιδιωματικές πληροφορίες για να κατανοήσει σε βάθος τις διαφορές μεταξύ των δύο ποικιλιών ως απόκριση στο στρες λόγω αλατότητας. 

"«Σχεδιάζουμε επίσης, αν είναι δυνατόν, να αλληλουχήσουμε περισσότερες ποικιλίες που μας ενδιαφέρουν για τις αντιδράσεις τους σε άλλες πιέσεις, συμπεριλαμβανομένων των ρύπων», κατέληξε ο Σεμπαστιάνι. ​"Σίγουρα θα χρησιμοποιήσουμε τη γονιδιωματική για να κατανοήσουμε καλύτερα τους μηχανισμούς.