Pan-génomique de la pomme de terre : Évolutions et percées en matière de reproduction hybride

Avec l'avènement de technologie de séquençage à lecture longuela recherche sur les génomes a atteint des sommets sans précédent. Non seulement la complétude, la continuité et l'exactitude de l'assemblage des génomes se sont considérablement améliorées par rapport à la technologie de séquençage de nouvelle génération, mais les avancées couvrent tous les aspects de la génomique. Ce progrès facilite non seulement l'exploration approfondie de génomes individuels de haute qualité, mais permet également la poursuite de recherche sur le pan-génome.

La pomme de terre est l'une des cultures non céréalières les plus vitales au monde, et la grande majorité des variétés de pommes de terre cultivées commercialement présentent un important tétraploïdisme. Le progrès dans le croisement diploïde par le biais de semences authentiques a le potentiel de transformer complètement les futures initiatives de culture et de sélection de pommes de terre. Jusqu'à présent, seules des recherches limitées ont exploré l'évolution génétique et la diversité des pommes de terre sauvages et cultivées, ce qui limite l'utilisation pratique de la diversité du génome de la pomme de terre dans les initiatives de sélection.

Les chercheurs ont réussi à compiler 44 génomes diploïdes de pomme de terre méticuleusement détaillés en utilisant le PacBio HiFi et les technologies Hi-C, culminant dans une exploration pan-génomique complète. Cette exploration est prête à accélérer l'avancement des techniques de sélection de pommes de terre hybrides et à améliorer notre compréhension de l'évolution et des caractéristiques biologiques de la pomme de terre en tant que source alimentaire mondiale essentielle.

Exploration du pan-génome de Petota Variétés

Cette enquête a englobé l'assemblage de sept génomes représentatifs au niveau chromosomique, avec un total de 24,5 Go de lectures HiFi obtenues grâce à la technologie de capture de conformation de la chromatine à haut débit (Hi-C). Les tailles des génomes des représentants assemblés variaient de 835,1 Mb à 1,71 Gb. En utilisant l'algorithme de clustering de Markov, les 2 701 787 gènes attendus ont été regroupés pour créer un pan-génome comprenant 51 401 clusters pan-génomiques.

Analyse phylogénétique de Petota et espèces adjacentes

Pour élucider les liens évolutifs entre Petota et ses proches parents Lycopersicon et EtubérosumDes séquences longues PacBio ont été séquencées pour les groupes externes. Solanum etuberosum et Solanum palustreL'assemblage de novo a été réalisé, suivi de l'utilisation de supermatrices et de techniques de regroupement multispecies pour déduire des arbres phylogénétiques inter-espèces. Parmi les 1 899 arbres évolutifs, 334 (17,6 %) ont soutenu Etubérosum la branche sœur de PetotaDe plus, le test D a facilité l'identification d'un échange génétique discernable entre Petota et Etubérosum.

Distribution géographique et phylogénie du genre Solanum. (Tang et al., 2022)

Élargir le répertoire des gènes de résistance

Les scientifiques ont élaboré une procédure pour l'annotation des NLR, qu'ils ont validée en utilisant un ensemble de données NLR de tomate obtenu par séquençage d'enrichissement des gènes de résistance. Cet effort a abouti à une compilation substantielle de 57 683 gènes NLR. Le nombre de copies de NLR a montré une diversité substantielle entre les différentes espèces de pommes de terre. Les prédictions ont révélé que Etubérosum et les génomes de tomate contenaient entre 280 et 344 NLR, tandis que l'assemblage MTG de la pomme de terre a montré une amplification génétique notable.

Évolution des gènes de résistance chez la pomme de terre. (Tang et al., 2022)

Gènes homologues de tubercules

Concernant les gènes homologues des tubercules, cette étude a révélé un total de 149 663 CNS spécifiques aux pommes de terre, s'étendant sur une longueur de 6,9 mégabases. Parmi ceux-ci, environ 54,4 % étaient situés dans des introns, suggérant une influence potentielle sur l'expression de 17 871 gènes.

Dans la quête d'identification de gènes clés liés au développement des tubercules, la présente enquête a identifié 732 gènes avec une expression prédominante dans les stolons ou les tubercules. Parmi ceux-ci, 229 gènes étaient associés à des CNS spécifiques à la pomme de terre. Parmi ces gènes, 28 ont été identifiés comme des facteurs de transcription, avec une seule représentation de la famille des facteurs de transcription TCP spécifiques aux plantes (Soltu.DM.06G025210). Les données du transcriptome ont révélé que ce gène particulier affichait une expression marquée dans les stolons de pomme de terre.

Hybridation de la culture de la pomme de terre guidée par le pan-génome

En pionnier de l'élevage hybride guidé par le pan-génome pour les pommes de terre, les chercheurs ont découvert un total impressionnant de 561 433 variations structurelles (SV) de haute confiance dépassant 50 paires de bases, dont environ 55,5 % ont été classées comme rares. En amalgamant des données provenant de 20 espèces natives et 4 cas de S. candolleanumUne carte d'inversion a été méticuleusement construite. Une inversion intra-bras s'étendant sur environ 5,8 mégabases a été cartographiée sur le chromosome 3. Au sein de cette inversion, un gène critique responsable de l'hydroxylation du β-carotène, régissant l'accumulation de zéaxanthine et conférant ainsi la teinte jaune caractéristique au tubercule, a été identifié. Ce gène était étroitement lié à 464 autres gènes résidant dans l'inversion. Par conséquent, opter pour des individus présentant une chair de tubercule jaune pour des attributs nutritionnels pourrait involontairement déclencher une résistance prononcée à des traits phénotypiques imprévus. La carte d'inversion pan-génomique établie permet désormais aux sélectionneurs de choisir judicieusement des souches donneuses ou récipiendaires appropriées pour le processus de rétro-croisement.

Carte des grandes inversions basée sur le pan-génome. (Tang et al., 2022)

Résumé

L'étude a mis au jour 44 génomes d'une qualité exceptionnelle ainsi qu'une vaste diversité génétique. Ces découvertes constituent des atouts précieux pour l'amélioration complète de la culture de la pomme de terre à l'échelle du génome. De plus, ces ressources détiennent un potentiel immense pour la création d'une référence pan-génomique englobante qui amalgamera les génomes et les variations provenant de 44 germoplasmes de pommes de terre distincts. Il est à noter que la révélation de l'IT1 et l'interaction complexe impliquant son facteur partenaire SP6A joueront un rôle clé dans l'établissement d'une base solide pour comprendre la trajectoire évolutive du développement des tubercules.

En tant que Plateforme PacBio lorsqu'il subit une expansion, le coût associé au séquençage HiFi connaît une réduction. Cette réduction des coûts facilite l'incorporation de la construction de pan-génomes dans chaque projet entrepris.

Référence :

1. Tang, Dié, et al. "Évolution et diversité du génome des pommes de terre sauvages et cultivées." Nature 606.7914 (2022) : 535-541.