สล็อตแตกง่าย อ้อยได้จัดหาแอลกอฮอล์ เชื้อเพลิงชีวภาพ วัสดุก่อสร้างและทอผ้าให้กับสังคมมนุษย์เป็นเวลาหลายศตวรรษ และเป็นแหล่งน้ำตาลที่พึ่งพาได้มากที่สุดในโลก ตอนนี้ นักวิจัยได้ดึงรางวัลทางวิทยาศาสตร์อันแสนหวานจากอ้อย: ลำดับจีโนมที่ซับซ้อนและซับซ้อน ซึ่งอาจนำไปสู่การพัฒนาพันธุ์ที่แข็งขึ้นและให้ผลผลิตมากขึ้น
การผลิตลำดับที่ครอบคลุมต้องใช้ความพยายาม
ร่วมกันโดยนักวิทยาศาสตร์กว่า 100 คนจาก 16 สถาบัน งานนี้ใช้เวลาห้าปีและจบลงด้วยการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Genetics แต่แรงจูงใจในการจัดการโครงการเกิดขึ้นก่อนนานแล้ว
“โดยส่วนตัวแล้ว ฉันรอถึง 20 ปีในการจัดลำดับจีโนมนี้” เรย์ หมิง ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาพืชแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ซึ่งยุยงและเป็นผู้นำความพยายามในการจัดลำดับกล่าว “ฉันใฝ่ฝันที่จะมีจีโนมอ้างอิงสำหรับอ้อยเมื่อฉันทำงานเกี่ยวกับการทำแผนที่จีโนมของอ้อยในช่วงปลายทศวรรษ 1990” Ming เป็นสมาชิกของ Carl R. Woese Institute for Genomic Biology ซึ่งเป็นหนึ่งในกลุ่มนักวิจัยที่สนใจในการพัฒนาอ้อยและพืชผลที่เกี่ยวข้องเพื่อเพิ่มการผลิตอาหารและเชื้อเพลิงชีวภาพ
ลำดับจีโนมที่สมบูรณ์นั้นคุ้มค่ากับการรอคอยและความพยายาม เพราะมีศักยภาพในการช่วยปรับปรุงอ้อย อ้อยที่เกษตรกรส่วนใหญ่ปลูกนั้นเป็นลูกผสมของสองสายพันธุ์: Saccharum officinarumซึ่งปลูกพืชขนาดใหญ่ที่มีปริมาณน้ำตาลสูง และSaccharum spontaneumที่มีขนาดและความหวานน้อยกว่าถูกชดเชยด้วยความต้านทานโรคที่เพิ่มขึ้นและความทนทานต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อม การขาดลำดับจีโนมที่สมบูรณ์ นักปรับปรุงพันธุ์พืชได้สร้างสายพันธุ์ที่ให้ผลผลิตสูงและแข็งแกร่งผ่านการผสมข้ามพันธุ์และการคัดเลือกมาหลายชั่วอายุคน แต่นี่เป็นกระบวนการที่ลำบากโดยอาศัยเวลาและโชค
“อ้อยเป็นพืชที่มีค่ามากที่สุดอันดับที่ 5 และการขาดจีโนมอ้างอิงเป็นอุปสรรคต่อการวิจัยจีโนมและการปรับปรุงพันธุ์ระดับโมเลกุลเพื่อการปรับปรุงอ้อย” หมิงกล่าว “. . . เทคโนโลยีการจัดลำดับไม่พร้อมที่จะจัดการกับจีโนม autopolyploid ขนาดใหญ่จนถึงปี 2015 เมื่อปริมาณงาน ความยาวในการอ่าน และต้นทุนของเทคโนโลยีการจัดลำดับรุ่นที่สาม [เช่น ที่พัฒนาโดยบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพ Pacific Biosciences] มีความสามารถในการแข่งขันเพียงพอ”
เหตุใดการจัดลำดับจีโนมอ้อยจึงเป็นเรื่องยาก ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งพบได้ทั่วไปในพืชทำให้เกิดอุปสรรคทางเทคนิคที่สำคัญ ในช่วงประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของอ้อย จีโนมของอ้อยได้รับการทำซ้ำสองครั้ง ส่งผลให้โครโมโซมแต่ละคู่แตกต่างกันเล็กน้อยสี่รุ่นทั้งหมดอัดแน่นอยู่ในนิวเคลียสเดียวกัน
เหตุการณ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มขนาดของจีโนมเป็นสี่เท่า (และด้วยเหตุนี้ปริมาตรที่แท้จริงของลำดับดีเอ็นเอ) พวกเขายังสร้างลำดับที่คล้ายคลึงกันอย่างมากจากการทำซ้ำของจีโนมในวงกว้างซึ่งยากกว่ามากที่จะประกอบเป็นโครโมโซมที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้ว DNA ของจีโนมจะถูกจัดลำดับหรืออ่านเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ทับซ้อนกัน และข้อมูลลำดับจากชิ้นส่วนเหล่านั้นจะกลายเป็นชิ้นส่วนที่ทับซ้อนกันของปริศนาเชิงเส้นขนาดมหึมา เมื่อขนาดจีโนมของอ้อยเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แล้วก็เพิ่มเป็นสองเท่าอีกครั้ง ปริศนานี้ไม่ได้ขยายใหญ่ขึ้นเท่านั้น มันใช้องค์ประกอบซ้ำ ๆ แต่ไม่เหมือนกันซึ่งชิ้นส่วนเล็ก ๆ จำนวนมากเหล่านั้นยากที่จะพอดี
เพื่อพิชิตความท้าทายนี้ ทีมจัดลำดับได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่าการจับรูปแบบโครมาตินปริมาณมากหรือ Hi-C วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยค้นพบว่าส่วนใดของสายโครโมโซมที่ยาวและพันกันของ DNA ที่สัมผัสกันภายในเซลล์ เมื่อวิเคราะห์โดยใช้อัลกอริธึมแบบกำหนดเองที่เรียกว่า ALLHIC ที่พัฒนาโดยทีม ข้อมูลที่ได้มีจุดประสงค์ของรูปภาพบนฝากล่องตัวต่อ ให้แผนที่คร่าวๆ ว่าส่วนใดของลำดับที่น่าจะเป็นของโครโมโซมมากที่สุด
“ความประหลาดใจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือการรวมการอ่านลำดับที่ยาวและแผนที่ทางกายภาพของ Hi-C เราได้รวมจีโนม autotetraploid [quadrupled] ออกเป็น 32 โครโมโซมและตระหนักถึงเป้าหมายของเราในการใส่คำอธิบายประกอบเฉพาะอัลลีลในโครโมโซมที่คล้ายคลึงกัน” Ming กล่าว กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิจัยรู้แล้วว่าลำดับของยีนใดเป็นของแต่ละการเปลี่ยนแปลงสี่รูปแบบในจีโนมก่อนการทำซ้ำ ซึ่งเป็นระดับของรายละเอียดที่สูงกว่าที่คาดไว้มาก
ด้วยข้อมูลนี้ นักวิจัยสามารถสร้างสมมติฐานที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความลึกลับของประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของจีโนมอ้อย
เมื่อเปรียบเทียบกับจีโนมของสปีชีส์ที่เกี่ยวข้อง
นักวิจัยรู้ว่า ณ จุดหนึ่งจำนวนโครโมโซมที่มีลักษณะเฉพาะลดลงจาก 10 เป็นแปด ความประหลาดใจของทีม ข้อมูลลำดับใหม่เปิดเผยว่าโครโมโซมที่ต่างกันสองโครโมโซมได้แยกออกจากกัน จากนั้นทั้งสี่ส่วนก็หลอมรวมกับโครโมโซมที่มีอยู่ต่างกัน ซึ่งเป็นชุดเหตุการณ์ที่ซับซ้อนกว่าที่คาดไว้
การเข้าใจการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพเหล่านี้ช่วยได้อย่างไร? พร้อมกับการจัดเรียงใหม่ทางกายภาพขนาดใหญ่เหล่านี้ภายในจีโนมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกับยีนในบริเวณที่ได้รับผลกระทบ ตัวอย่างเช่น Ming และเพื่อนร่วมงานของเขาพบว่าโครโมโซมชิ้นใหญ่ที่ถูกย้ายไปยังตำแหน่งใหม่มียีนที่ช่วยให้พืชต้านทานโรคได้มากกว่าที่พบในที่อื่น
“มันไขปริศนาได้ว่าทำไม S. spontaneum จึงเป็นแหล่งของยีนต้านทานโรคและทนต่อความเครียดได้ดีเยี่ยม” หมิงกล่าว “การจัดเรียงโครโมโซมใหม่น่าจะเป็นสาเหตุ ไม่ใช่ผลของการเสริมสมรรถนะนี้ แม้ว่ากลไกการขีดเส้นใต้ของการเสริมแต่งนี้จะยังคงต้องได้รับการตรวจสอบ การค้นพบนี้จะเร่งการทำเหมืองอัลลีลที่มีประสิทธิภาพของยีนต้านทานโรคที่รวมเข้ากับพันธุ์อ้อยพันธุ์ลูกผสมสมัยใหม่ชั้นยอด แล้วจึงนำการปรับปรุงพันธุ์ระดับโมเลกุล [ของอ้อย] มาใช้”
ลำดับจีโนมคุณภาพสูงยังช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุต้นกำเนิดที่เป็นไปได้ของความหวานอันน่าทึ่งของอ้อยสมัยใหม่ได้ แม้แต่ใน S. spontaneum ที่มีความหวานน้อยกว่า การกลายพันธุ์ที่สร้างยีนหลายชุดสำหรับโปรตีนขนส่งน้ำตาลได้สะสมไว้ พวกเขายังสามารถสังเกตได้ว่าในการผสมพันธุ์ระหว่าง S. officinarum และ S. spontaneum ลำดับ DNA ที่ได้มาจาก S. spontaneum จะกระจัดกระจายแบบสุ่มทั่วทั้งจีโนมไฮบริด
“วิธีการของ ALLHIC ได้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างจีโนมอ้อย autopolyploid” หมิงกล่าว เขาคาดว่าเทคนิคที่ใช้อย่างประสบความสำเร็จสำหรับจีโนมอ้อยจะช่วยนักวิจัยในการหาลำดับจีโนมที่ซับซ้อนอื่นๆ สล็อตแตกง่าย
