Анализ ядерной и хлоропластной ДНК по одним и тем же прочтениям секвенирования

В соавторстве с г-жой Eranga Pawani Witharana исследовательская группа из нашей лаборатории продемонстрировала метод эффективного восстановления ядерной филогенетической информации из тех же последовательностей, которые использовались для анализа генома хлоропластов, что позволяет проводить комплексное сравнение обоих источников данных.

Геномы хлоропластов (cp) широко используются в филогенетике растений, поскольку они относительно малы и удобны для анализа. Однако у многих покрытосеменных растений cpDNA наследуется однородительским путем — часто материнским — и, следовательно, может нести иной филогенетический сигнал, чем двуродительски наследуемый ядерный DNA. Поэтому одних только данных о хлоропластах может быть недостаточно для разрешения некоторых эволюционных взаимосвязей.

Для получения более полной филогенетической информации также важна информация о ядерном геноме DNA, которая наследуется от обоих родителей. Ядерный геном DNA обеспечивает более целостную генетическую перспективу, чем cpDNA. Однако получение полной информации о ядерном геноме DNA ранее было связано с высокими затратами. В последние годы появились высокоэффективные методы получения данных о ядерном геноме DNA (например, целевой захват, секвенирование RNA), но обычно для этого требовалось отдельно подготавливать данные о хлоропластах и ​​ядерном геноме DNA.

В этом исследовании для решения данной задачи мы сосредоточились на разработке и проверке нового метода, позволяющего получать филогенетическую информацию по ядерной DNA из точно тех же необработанных исходных данных ридов секвенирования, которые использовались для анализа генома хлоропласта.

Мы использовали новый вычислительный инструмент под названием Read2Tree. Read2Tree позволяет напрямую и эффективно извлекать консервативные последовательности ядерных генов из необработанных данных секвенирования.

После публикации статьи мы выпустили конвейер анализа на GitHub по адресу «Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics», чтобы облегчить воспроизведение и дальнейшее применение рабочего процесса.

Основные особенности и преимущества Read2Tree

• Экономичность: использование тех же исходных данных, что и при анализе хлоропластов, снижает затраты на сбор данных.
• Комплексный поиск ядерных данных: подход, основанный на референсном геноме, позволяет извлекать большое количество консервативных ядерных генов.
• Упрощенный анализ: функционирует как интегрированный конвейер от идентификации генов и генерации выравнивания до построения филогенетического дерева.
• Не требует специальной подготовки: использует существующие эталонные наборы данных, исключая необходимость разработки и проверки видоспецифических наборов зондов или баз данных.
• Полезно для анализа несоответствий: выдает данные выравнивания отдельных генов, которые можно использовать для исследования причин филогенетического несоответствия (например, расхождений между деревьями генов и деревьями видов).

Проверка метода: пример с использованием растений подсемейства Aurantioideae

Чтобы проверить эффективность и полезность нового метода — филогенетического анализа ядерной DNA с помощью Read2Tree, — мы выбрали группу растений Aurantioideae. Aurantioideae, включающая цитрусовые и их близких родственников, представляет собой важную группу со сложными филогенетическими связями.

Используя Read2Tree, в исследовании были восстановлены консервативные последовательности ядерных генов для 39 видов подсемейства Aurantioideae, и полученные филогении ядерных геномов были сопоставлены с филогенетическими деревьями хлоропластных геномов, построенными на основе тех же исходных данных.

• Сравнение с существующими методами анализа ядерной DNA: Полученное с помощью Read2Tree филогенетическое дерево ядерной DNA сравнили с деревом, построенным методом RAD-Seq — другим методом анализа ядерной DNA, применявшимся в предыдущих исследованиях. Это сравнение позволило оценить надежность Read2Tree.
• Интеграция с филогенетическим анализом хлоропластов: Филогенетические деревья геномов хлоропластов были построены на основе тех же исходных данных и сравнены с ядерными деревьями DNA, полученными с помощью Read2Tree. Этот подход позволил исследовать цитоядерное несоответствие, то есть несоответствие между филогениями хлоропластов и ядер.
• Анализ причин несоответствия: Используя данные выравнивания отдельных генов, полученные с помощью Read2Tree, и комбинируя их с другими методами (D-статистика, DFOIL, QuIBL и др.), мы проанализировали, было ли наблюдаемое филогенетическое несоответствие вызвано сложными эволюционными процессами, такими как неполная сортировка линий (ILS), интрогрессия, или древней интрогрессией.

Результаты (эффективность метода)

Результаты этого исследования выявили следующие моменты, демонстрирующие эффективность метода с использованием Read2Tree:

• Сравнение ядерных филогений: Ядерные филогении Read2Tree в значительной степени согласуются с взаимоотношениями, описанными в более раннем исследовании RAD-Seq. Некоторые таксономические позиции остались неопределенными, поэтому анализ не следует рассматривать как окончательное разрешение всех ветвей.
• Эффективное повторное использование данных: Один и тот же набор данных коротких прочтений поддерживал как анализ генома хлоропластов, так и ядерную филогенетическую реконструкцию, что делало этот подход более экономически эффективным, чем подготовка отдельных наборов данных секвенирования. Это было преимуществом в сборе данных, а не формальной экономической оценкой.
• Анализ филогенетического несоответствия: Многочисленные анализы показали, что неполная сортировка линий (ILS) объясняет большую часть наблюдаемого несоответствия, в то время как интрогрессия и древняя интрогрессия также могли внести свой вклад в пределах отдельных клад.

Заключение

Исследование показало, что Read2Tree позволяет восстанавливать консервативные ядерные гены из тех же исходных прочтений, которые использовались для анализа хлоропластного генома. Это дает возможность сопоставлять ядерную и хлоропластную филогении и исследовать вклад неполной сортировки линий (ILS) и интрогрессии. Положение некоторых таксонов осталось неопределенным, и исследование не дало окончательного решения для каждой ветви.

Этот метод потенциально может способствовать более детальной и надежной реконструкции эволюционной истории в будущих филогенетических исследованиях растений.

Потенциальные области применения в исследованиях пищевых ингредиентов

В следующих пунктах описаны потенциальные области применения, выведенные из проверенного филогенетического алгоритма. В работе не проводилось прямого тестирования селекции сельскохозяйственных культур, вкусовых качеств, питательной ценности или устойчивости к болезням.

Например, такие группы, как Aurantioideae, использованные в этом исследовании, включают виды растений, имеющие важное значение для пищевых и лекарственных целей во всем мире. Понимание их точных филогенетических связей и сложной эволюционной истории гибридизации имеет решающее значение для улучшения сельскохозяйственных культур, а также для сохранения и использования ценных генетических ресурсов (таких как дикие сородичи), которые могут стать будущими источниками пищи.

Этот новый метод с использованием Read2Tree позволяет эффективно извлекать информацию как из хлоропластов, так и из ядер DNA, используя один и тот же набор данных, что позволяет проводить более всесторонний и подробный филогенетический анализ многих видов сельскохозяйственных культур, которые ранее было сложно анализировать.

Более того, возможность анализа сложных генетических процессов, таких как неполная сортировка линий (ILS) и интрогрессия, обеспечивает основу для понимания на генетическом уровне того, как различные признаки пищевых растений — такие как высокая питательная ценность, специфический вкус и устойчивость к вредителям и болезням — были приобретены и сохранены на протяжении эволюционной истории.

Таким образом, можно сказать, что этот метод закладывает важную основу для углубления нашего понимания разнообразия растений, используемых в пищу, и для стимулирования исследований, направленных на разработку улучшенных сортов и устойчивое использование ресурсов.