Ижил sequencing reads-ээс цөмийн болон хлоропластын DNA-г шинжлэх

Хатагтай Eranga Pawani Witharana анхны зохиогчоор ажилласнаар лабораторид төвлөрсөн судалгааны баг хлоропластын геномын шинжилгээнд ашиглагддаг дарааллын уншилтаас цөмийн филогенетикийн мэдээллийг үр дүнтэй сэргээх аргыг харуулж, хоёр өгөгдлийн эх сурвалжийг нэгтгэсэн харьцуулалт хийх боломжийг олгосон.

Хлоропластын (cp) геном нь харьцангуй жижиг, шинжлэхэд хялбар тул ургамлын филогенетикийн судалгаанд өргөн хэрэглэгддэг. Гэвч олон далд үрт ургамалд cpDNA нь зөвхөн нэг эцэг эхээс—ихэвчлэн эх талаас—удамшдаг. Иймээс түүний филогенетикийн дохио нь хоёр эцэг эхээс удамшдаг цөмийн DNA-гийн дохионоос ялгаатай байж болно. Тиймээс зөвхөн хлоропластын өгөгдлөөр зарим хувьслын хамаарлыг бүрэн тайлбарлах боломжгүй байж болно.

Илүү иж бүрэн филогенетикийн мэдээлэл авахын тулд хоёр эцэг эхээс удамшдаг цөмийн DNA-ийн мэдээлэл мөн чухал. Цөмийн DNA нь cpDNA-гаас илүү өргөн хүрээний генетикийн дүр зургийг өгдөг. Гэвч өмнө нь цөмийн DNA-ийн бүрэн мэдээлэл авах өндөр өртөгтэй байв. Сүүлийн жилүүдэд target capture, RNA sequencing зэрэг өртөг багатай аргууд гарсан боловч хлоропластын болон цөмийн DNA-ийн өгөгдлийг ихэвчлэн тус тусад нь бэлтгэх шаардлагатай хэвээр байлаа.

Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд хлоропластын геномын шинжилгээнд ашигласан яг ижил raw (боловсруулаагүй) sequencing reads-ээс цөмийн DNA-ийн филогенетикийн мэдээлэл авах шинэ аргыг хөгжүүлж, баталгаажуулахад энэхүү судалгаа чиглэсэн.

Бид Read2Tree хэмээх шинэ тооцооллын хэрэгслийг ашигласан. Read2Tree нь raw sequencing reads-ээс хадгалагдсан цөмийн генийн дарааллыг шууд, үр ашигтай гарган авдаг.

Өгүүлэл нийтлэгдсэний дараа workflow-г дахин хэрэглэх, цааш хөгжүүлэхэд дэмжлэг үзүүлэх зорилгоор analysis pipeline-ийг GitHub repository “Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics”-д нээлттэй болгосон.

Read2Tree-ийн гол онцлог ба давуу тал

• Өртөг хэмнэлттэй: Хлоропластын шинжилгээтэй ижил raw data ашигласнаар өгөгдөл шинээр авах зардлыг бууруулна.
• Цөмийн өгөгдлийг өргөн хүрээнд гарган авах: Reference genome-д тулгуурласан арга нь олон тооны хадгалагдсан цөмийн генийг гарган авах боломж олгодог.
• Нэгдсэн шинжилгээ: Ген тодорхойлохоос эхлээд alignment үүсгэх, филогенетикийн мод байгуулах хүртэл нэг pipeline-аар гүйцэтгэнэ.
• Тусгай бэлтгэл шаардахгүй: Одоо байгаа reference dataset-ийг ашигладаг тул зүйл тус бүрт зориулсан probe set эсвэл database шинээр зохиож, баталгаажуулах шаардлагагүй.
• Discordance analysis-д ашигтай: Ген тус бүрийн alignment data-г гаргадаг тул gene tree ба species tree-ийн зөрүү зэрэг филогенетикийн discordance-ийн шалтгааныг судалж болно.

Аргын баталгаажуулалт: Aurantioideae ургамлын жишээ

Read2Tree ашигласан цөмийн DNA-ийн филогенетикийн шинэ аргын үр дүн, хэрэглээг баталгаажуулахын тулд Aurantioideae ургамлын бүлгийг сонгосон. Цитрус болон түүний ойрын төрөл саданг багтаадаг Aurantioideae нь нарийн төвөгтэй филогенетикийн хамааралтай чухал бүлэг юм.

Read2Tree ашиглан судалгаанд Aurantioideae-ийн 39 зүйлийн хадгалагдсан цөмийн генийн дарааллыг сэргээж, үүссэн цөмийн филогенийг ижил raw reads-ээс байгуулсан хлоропластын геномын модтой харьцуулсан.

• Одоо байгаа цөмийн DNA-ийн аргатай харьцуулах: Read2Tree-ээр гаргасан цөмийн DNA-ийн филогенетикийн модыг RAD-Seq аргаар үүсгэсэн модтой харьцуулсан. RAD-Seq нь өмнөх судалгаанд ашигласан өөр нэг цөмийн DNA-ийн арга юм. Энэ харьцуулалтаар Read2Tree-ийн найдвартай байдлыг үнэлсэн.
• Хлоропластын филогенетикийн шинжилгээтэй нэгтгэх: Ижил raw data-гаас хлоропластын геномын филогенетикийн мод байгуулж, Read2Tree-ээр гаргасан цөмийн DNA-ийн модтой харьцуулсан. Ингэснээр хлоропластын ба цөмийн филогений зөрүү болох cytonuclear discordance-ийг шинжилсэн.
• Discordance-ийн шалтгааны шинжилгээ: Read2Tree-ээс гарсан ген тус бүрийн alignment data-г D-statistic, DFOIL, QuIBL зэрэг бусад аргатай хослуулж, ажиглагдсан phylogenetic discordance нь incomplete lineage sorting (ILS), introgression эсвэл ancient introgression зэрэг хувьслын төвөгтэй үйл явцаас үүссэн эсэхийг шинжилсэн.

Үр дүн (аргын үр нөлөө)

Судалгааны үр дүн Read2Tree-д тулгуурласан аргын үр нөлөөг дараах байдлаар харуулсан:

• Цөмийн филогений харьцуулалт: Read2Tree-ээр гаргасан цөмийн филогени өмнөх RAD-Seq судалгаанд мэдээлсэн хамааралтай ерөнхийдөө нийцсэн. Зарим taxon-ийн байрлал тодорхойгүй хэвээр байсан тул шинжилгээ бүх салааг эцэслэн шийдсэн гэж ойлгож болохгүй.
• Өгөгдлийг үр ашигтай дахин ашиглах: Ижил short-read dataset-ээр хлоропластын геномын шинжилгээ болон цөмийн филогенетикийн inference-ийг хоёуланг хийсэн. Энэ нь тусдаа sequencing dataset бэлтгэхээс өртөг багатай. Гэхдээ энэ нь албан ёсны эдийн засгийн үнэлгээ бус, өгөгдөл авах үеийн давуу тал юм.
• Филогенетикийн discordance-ийн шинжилгээ: Олон шинжилгээгээр ажиглагдсан зөрүүний ихэнхийг incomplete lineage sorting (ILS) тайлбарлаж болохыг харуулсан. Мөн зарим clade-д introgression болон ancient introgression нөлөөлсөн байж болно.

Дүгнэлт

Судалгаагаар Read2Tree нь хлоропластын геномын шинжилгээнд ашигласан ижил raw reads-ээс хадгалагдсан цөмийн генийг сэргээж чаддагийг харуулсан. Ингэснээр цөмийн болон хлоропластын филогенийг харьцуулж, incomplete lineage sorting (ILS) ба introgression-ийн нөлөөг шинжлэх боломжтой. Зарим taxon-ийн байрлал тодорхойгүй хэвээр байсан бөгөөд бүх салааг эцэслэн шийдээгүй.

Энэ арга нь ургамлын филогенетикийн ирээдүйн судалгаанд хувьслын түүхийг илүү нарийвчлалтай, найдвартай сэргээн байгуулахад хувь нэмэр оруулах боломжтой.

Хүнсний түүхий эдийн судалгаанд хэрэглэх боломж

Дараах зүйлс нь баталгаажуулсан филогенетикийн workflow-оос дүгнэсэн боломжит хэрэглээ юм. Эх өгүүлэлд ургамлын селекц, амт, шим тэжээлийн үнэ цэнэ эсвэл өвчинд тэсвэртэй байдлыг шууд туршаагүй.

Жишээлбэл, энэ судалгаанд ашигласан Aurantioideae зэрэг бүлэгт дэлхий даяар хүнс болон эмийн зориулалтаар чухал ургамлууд багтдаг. Тэдгээрийн нарийн филогенетикийн хамаарал, эрлийзжилтийн төвөгтэй хувьслын түүхийг ойлгох нь газар тариалангийн ургамлыг сайжруулах, мөн ирээдүйн хүнсний эх үүсвэр болж болох зэрлэг төрөл садан зэрэг үнэ цэнтэй генетикийн нөөцийг хамгаалж ашиглахад чухал.

Read2Tree-д тулгуурласан шинэ арга нь нэг dataset-ээс хлоропластын болон цөмийн DNA-ийн мэдээллийг үр ашигтай гарган авна. Ингэснээр өмнө нь шинжлэхэд хүндрэлтэй байсан олон хүнсний ургамлын илүү иж бүрэн, нарийвчилсан филогенетикийн шинжилгээ хийх боломжтой.

Түүнчлэн incomplete lineage sorting (ILS), introgression зэрэг генетикийн төвөгтэй үйл явцыг шинжлэх нь хүнсний ургамлын өндөр шим тэжээл, өвөрмөц амт, хортон ба өвчинд тэсвэртэй байдал зэрэг олон шинж хувьслын явцад хэрхэн бий болж, хадгалагдсаныг генетикийн түвшинд ойлгох суурь болно.

Иймээс энэ арга нь хүнсэнд ашигладаг ургамлын олон янз байдлын талаарх ойлголтыг гүнзгийрүүлж, сайжруулсан сорт бий болгох болон нөөцийг тогтвортой ашиглах судалгааг урагшлуулах чухал суурь болж чадна.