Aynı dizileme okumalarından çekirdek ve kloroplast DNA’sının analizi

İlk yazar Bayan Eranga Pawani Witharana ile birlikte, laboratuvarımızda bulunan bir araştırma grubu, kloroplast genom analizi için kullanılan aynı dizileme okumalarından nükleer filogenetik bilgiyi verimli bir şekilde kurtarmaya yönelik bir yöntem göstererek, her iki veri kaynağının entegre bir karşılaştırmasını mümkün kıldı.

Kloroplast (cp) genomları, nispeten küçük ve izlenebilir oldukları için bitki filogenetiğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, birçok kapalı tohumluda, cpDNA, tek ebeveynli olarak (genellikle anne tarafından) miras alınır ve bu nedenle, iki ebeveynli olarak miras alınan nükleer DNA'den farklı bir filogenetik sinyal taşıyabilir. Kloroplast verileri tek başına sonuç olarak bazı evrimsel ilişkileri çözmek için yetersiz olabilir.

Daha kapsamlı filogenetik bilgi elde etmek için her iki ebeveynden miras alınan nükleer DNA bilgisi de önemlidir. Nükleer DNA, cpDNA'den daha bütünsel bir genetik bakış açısı sağlar. Ancak, tam nükleer DNA bilgilerinin elde edilmesi daha önce yüksek maliyetlerle ilişkilendiriliyordu. Son yıllarda, nükleer DNA verilerini elde etmek için oldukça uygun maliyetli yöntemler ortaya çıkmıştır (örneğin, hedef yakalama, RNA sıralaması), ancak genellikle kloroplast ve nükleer DNA verilerinin ayrı ayrı hazırlanması gerekli olmuştur.

Bu çalışmada, bu zorluğun üstesinden gelmek için, kloroplast genom analizi için kullanılan "tamamen aynı" ham (işlenmemiş) okuma dizisi verilerinden nükleer DNA filogenetik bilgi elde eden yeni bir yöntemin geliştirilmesine ve doğrulanmasına odaklandık.

Read2Tree adında yeni bir hesaplama aracı kullandık. Read2Tree, korunmuş nükleer gen dizilerinin ham okuma dizisi verilerinden doğrudan ve etkili bir şekilde çıkarılmasını sağlar.

Makalenin yayınlanmasının ardından, iş akışının çoğaltılmasını ve daha fazla uygulanmasını kolaylaştırmak için GitHub üzerindeki analiz hattını “Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics” adresinde yayınladık.

Read2Tree

• Uygun maliyetli: Kloroplast analiziyle aynı ham verilerin kullanılması, veri toplama maliyetlerini azaltır.
• Kapsamlı nükleer veri alımı: Referans genom rehberli bir yaklaşım, çok sayıda korunmuş nükleer genin çıkarılmasına olanak tanır.
• Kolaylaştırılmış analiz: Gen tanımlamasından hizalama oluşturmaya ve filogenetik ağaç oluşturmaya kadar entegre bir hat olarak işlev görür.
• Özel hazırlık gerektirmez: Mevcut referans veri kümelerini kullanarak türe özgü prob setleri veya veritabanlarını tasarlama ve doğrulama ihtiyacını ortadan kaldırır.
• Uyumsuzluk analizi için kullanışlıdır: Filogenetik uyumsuzluğun nedenlerini (gen ağaçları ve tür ağaçları arasındaki tutarsızlıklar gibi) araştırmak için kullanılabilen bireysel gen hizalama verilerinin çıktısını verir.

Yöntem Doğrulaması: Aurantioideae Bitkilerinin Kullanıldığı Bir Örnek

Bu yeni yöntemin (Read2Tree kullanılarak nükleer DNA filogenetik analizi) etkinliğini ve kullanışlılığını doğrulamak için Aurantioideae bitki grubunu hedefledik. Turunçgiller ve yakın akrabalarını içeren Aurantioideae, karmaşık filogenetik ilişkilere sahip önemli bir gruptur.

Çalışma, Read2Tree'yi kullanarak 39 Aurantioideae türü için korunmuş nükleer gen dizilerini kurtardı ve elde edilen nükleer filogenileri, aynı ham okumalardan oluşturulan kloroplast genom ağaçlarıyla karşılaştırdı.

• Mevcut nükleer DNA yöntemleriyle karşılaştırma: Read2Tree tarafından elde edilen nükleer DNA filogenetik ağacı, önceki çalışmalarda kullanılan bir başka nükleer DNA yöntemi olan RAD-Seq ile karşılaştırıldı. Bu karşılaştırma Read2Tree'nin güvenilirliğini değerlendirdi.
• Kloroplast filogenetik analizi ile entegrasyon: Kloroplast genomlarının filogenetik ağaçları, aynı ham verilerden oluşturuldu ve Read2Tree tarafından üretilen nükleer DNA ağaçlarıyla karşılaştırıldı. Bu yaklaşım, sitonükleer uyumsuzluğu, yani kloroplast ile nükleer filogeniler arasındaki uyumsuzluğu araştırdı.
• Uyumsuzluk nedenlerinin analizi: Read2Tree tarafından çıkan bireysel gen hizalama verisini kullanarak ve bunu diğer yöntemlerle (D-istatistik, DFOIL, QuIBL, vb.) birleştirerek, gözlemlenen filogenetik uyumsuzluğun eksik soy sıralaması (ILS), introgresyon gibi karmaşık evrimsel süreçlerden mi yoksa antik introgresyondan mı kaynaklandığını analiz ettik.

Sonuçlar (Yöntem Etkinliği)

Bu çalışmanın sonuçları, Read2Tree kullanılarak yöntemin etkinliğini gösteren aşağıdaki noktaları ortaya çıkardı:

• Nükleer filogenilerin karşılaştırılması: Read2Tree nükleer filogenileri, daha önceki bir RAD-Seq çalışmasında bildirilen ilişkilerle büyük ölçüde uyumluydu. Bazı takson yerleşimleri belirsiz kaldı, bu nedenle analiz her dalın kesin olarak çözümlendiği şeklinde okunmamalıdır.
• Verilerin verimli bir şekilde yeniden kullanılması: Aynı kısa okumalı veri seti hem kloroplast genom analizini hem de nükleer filogenetik çıkarımı destekleyerek yaklaşımı ayrı sıralama veri setleri hazırlamaktan daha uygun maliyetli hale getirdi. Bu, resmi bir ekonomik değerlendirme değil, veri toplama avantajıydı.
• Filogenetik uyumsuzluğun analizi: Çoklu analizler, eksik soy sıralamasının (ILS) gözlemlenen uyumsuzluğun çoğunu açıkladığını, introgresyon ve antik introgresyonun da belirli dallar içinde katkıda bulunmuş olabileceğini öne sürdü.

Sonuç

Çalışma, Read2Tree'nin, kloroplast genom analizi için kullanılan aynı ham okumalardan korunmuş nükleer genleri kurtarabildiğini, nükleer ve kloroplast filogenilerinin karşılaştırılmasına ve eksik soy sıralaması (ILS) ve introgresyonun katkılarının araştırılmasına olanak sağladığını gösterdi. Bazı takson yerleşimleri belirsizliğini korudu ve çalışma her dalı kesin olarak çözümleyemedi.

Bu yöntem, gelecekteki bitki filogenetiği araştırmalarında evrimsel geçmişin daha ayrıntılı ve güvenilir şekilde yeniden yapılandırılmasına katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.

Gıda İçerik Maddeleri Araştırmasında Potansiyel Uygulamalar

Aşağıdaki noktalar, doğrulanmış filogenetik iş akışından elde edilen potansiyel uygulamaları açıklamaktadır. Makale, mahsulün üremesini, lezzetini, besin değerini veya hastalık direncini doğrudan test etmedi.

Örneğin, bu çalışmada kullanılan Aurantioideae gibi gruplar dünya çapında gıda ve tıbbi kullanım açısından önemli olan bitki türlerini içermektedir. Bunların kesin filogenetik ilişkilerini ve melezleşmenin karmaşık evrimsel tarihini anlamak, tarımda mahsulün iyileştirilmesi ve gelecekte besin kaynağı haline gelebilecek değerli genetik kaynakların (vahşi akrabalar gibi) korunması ve kullanılması açısından çok önemlidir.

Read2Tree'yi kullanan bu yeni yöntem, aynı veri setini kullanarak hem kloroplasttan hem de nükleer DNA'den bilgilerin verimli bir şekilde alınmasını sağlayarak, daha önce analiz edilmesi zor olan birçok gıda ürünü türünün daha kapsamlı ve ayrıntılı filogenetik analizlerine olanak tanır.

Dahası, eksik soy sıralama (ILS) ve introgresyon gibi karmaşık genetik süreçleri analiz etme yeteneği, gıda bitkilerinin yüksek besin değeri, spesifik tatlar ve zararlılara ve hastalıklara karşı direnç gibi çeşitli özelliklerinin evrim tarihi boyunca nasıl kazanıldığını ve sürdürüldüğünü genetik düzeyde anlamak için bir temel sağlar.

Bu şekilde, bu yöntemin, gıda olarak kullanılan bitki çeşitliliğine ilişkin anlayışımızı derinleştirmek ve gelişmiş çeşitlerin geliştirilmesine ve sürdürülebilir kaynak kullanımına yönelik araştırmaları yönlendirmek için önemli bir temel sunduğu söylenebilir.