Pan-Genómica da Batata: Evolução e Avanços na Hibridação

Com o advento da tecnologia de sequenciamento de leituras longas, a pesquisa sobre genomas avançou a alturas sem precedentes. Não só a completude, continuidade e precisão da montagem do genoma melhoraram significativamente em contraste com a tecnologia de sequenciamento de próxima geração, mas as inovações abrangem todos os aspectos da genómica. Este progresso não só facilita a investigação aprofundada de genomas individuais de alta qualidade, mas também possibilita a busca pela pesquisa do pan-genoma.

A batata é uma das culturas não cereais mais vitais do mundo, e a vasta maioria das variedades de batata cultivadas comercialmente apresenta considerável tetraploidia. O progresso no cruzamento diploide através de sementes autênticas tem o potencial de transformar completamente os futuros esforços de cultivo e melhoramento da batata. Até agora, apenas investigações limitadas exploraram a evolução genética e a diversidade das batatas selvagens e cultivadas, restringindo a utilização prática da diversidade do genoma da batata nas iniciativas de melhoramento.

Os pesquisadores compilaram com sucesso 44 genomas de batata diploides meticulosamente detalhados utilizando as tecnologias PacBio HiFi e Hi-C, culminando em uma exploração pan-genómica abrangente. Esta exploração está prestes a acelerar o avanço das técnicas de melhoramento de batatas híbridas e a melhorar nossa compreensão da evolução e características biológicas da batata como uma fonte alimentar global fundamental.

Exploração do Pan-Genoma das Variedades de Petota

Esta investigação abrangeu a montagem de sete genomas representativos a nível cromossómico, com um total de 24,5 Gb de leituras HiFi obtidas através da tecnologia de captura de conformação da cromatina de alto rendimento (Hi-C). Os tamanhos dos genomas dos representantes montados variaram de 835,1 Mb a 1,71 Gb. Utilizando o algoritmo de clustering de Markov, os 2.701.787 genes previstos foram agrupados para criar um pan-genoma composto por 51.401 clusters pan-genómicos.

Análise Filogenética de Petota e Espécies Adjacentes

Para elucidar as conexões evolutivas entre Petota e seus parentes próximos Lycopersicon e Etuberosum, foram sequenciadas sequências longas da PacBio para os grupos externos Solanum etuberosum e Solanum palustre. A montagem de novo foi executada, seguida pela utilização de técnicas de supermatriz e clustering de múltiplas espécies para deduzir árvores filogenéticas interespécies. Entre as 1.899 árvores evolutivas, 334 (17,6%) apoiaram Etuberosum, o ramo irmão de Petota. Além disso, o teste D facilitou a identificação de troca de genes discernível entre Petota e Etuberosum.

Distribuição geográfica e filogenia do gênero Solanum. (Tang et al., 2022)

Ampliando o Repertório de Genes de Resistência

Cientistas elaboraram um procedimento para a anotação de NLR, que validaram utilizando um conjunto de dados de NLR de tomate obtido através de sequenciamento de enriquecimento de genes de resistência. Este esforço resultou em uma compilação substancial de 57.683 genes NLR. A contagem de cópias de NLR exibiu uma diversidade substancial entre diferentes espécies de batata. Previsões revelaram que os genomas de Etuberosum e tomate continham entre 280 e 344 NLRs, enquanto a montagem do genoma MTG da batata exibiu uma amplificação genética notável.

Evolução de genes de resistência na batata. (Tang et al., 2022)

Genes Homólogos de Tubérculo

Relativamente aos genes homólogos de tubérculo, este estudo descobriu um total de 149.663 CNSs específicos para batatas, abrangendo um comprimento de 6,9 megabases. Dentre estes, aproximadamente 54,4% estavam situados dentro de intrões, sugerindo uma influência potencial na expressão de 17.871 genes.

Na busca por identificar genes fundamentais ligados ao desenvolvimento de tubérculos, a investigação atual identificou 732 genes com expressão predominante em estolões ou tubérculos. Desses, 229 genes estavam associados a CNSs específicos da batata. Entre esses genes, 28 foram identificados como fatores de transcrição, com uma única representação da família de fatores de transcrição TCP específicos de plantas (Soltu.DM.06G025210). Dados de transcriptoma revelaram que este gene específico exibiu expressão proeminente em estolões de batata.

Híbrido de Melhoramento de Batata Guiado pelo Pan-Genoma

Pioneirando o melhoramento híbrido guiado pelo pan-genoma para batatas, os pesquisadores descobriram um total de 561.433 variações estruturais de alta confiança (SVs) com mais de 50 pares de bases, das quais aproximadamente 55,5% foram classificadas como raras. Através da fusão de dados de 20 espécies nativas e 4 instâncias de S. candolleanum, um mapa de inversão foi meticulosamente construído. Uma inversão intra-braço que abrange cerca de 5,8 megabases foi mapeada para o cromossomo 3. Dentro desta inversão, um gene crítico responsável pela hidroxilação do β-caroteno, que governa o acúmulo de zeaxantina e, assim, confere a cor amarela característica ao tubérculo, foi identificado. Este gene estava intrinsecamente ligado a 464 outros genes residindo dentro da inversão. Consequentemente, optar por indivíduos que exibem carne de tubérculo amarela por atributos nutricionais pode inadvertidamente desencadear resistência pronunciada a traços fenotípicos imprevistos. O mapa de inversão pan-genómico estabelecido agora capacita os melhoristas a selecionar judiciosamente as variedades doadoras ou receptoras apropriadas para o processo de retrocruzamento.

Mapa baseado em pan-genoma de grandes inversões. (Tang et al., 2022)

Resumo

O estudo revelou 44 genomas de qualidade excepcional, juntamente com uma extensa diversidade genética. Estas descobertas servem como ativos valiosos para a melhoria abrangente do melhoramento da batata a nível genómico. Além disso, estes recursos detêm um imenso potencial para a criação de uma referência pan-genómica abrangente que amalgama genomas e variações provenientes de 44 germoplasmas distintos de batata. Notavelmente, a revelação de IT1 e a intrincada interação envolvendo seu fator parceiro SP6A desempenharão um papel fundamental na construção de uma base sólida para compreender a trajetória evolutiva do desenvolvimento de tubérculos.

À medida que a plataforma PacBio se expande, o custo associado ao sequenciamento HiFi sofre uma redução. Esta redução de custo facilita a incorporação da construção do pan-genoma em cada projeto realizado.

Referência:

1. Tang, Dié, et al. "Evolução e diversidade do genoma de batatas selvagens e cultivadas." Nature 606.7914 (2022): 535-541.