מורכב יותר מהגנום האנושי: פתיחת המסתורין המתוק של ה-DNA של קנה הסוכר

מדענים יצרו גנום ייחוס מדויק ביותר עבור אחד הגידולים המודרניים החשובים ביותר ומצאו דוגמה נדירה לאופן שבו גנים מקנים עמידות למחלות בצמחים. חקר הקוד הגנטי של קני סוכר עשוי לעזור לחוקרים לפתח יבולים עמידים ופרודוקטיביים יותר, עם השלכות הן על ייצור הסוכר והן על דלק ביולוגי.

• עד כה, הגנטיקה המסובכת של קנה הסוכר הפכה אותו ליבול העיקרי האחרון ללא גנום מלא ומדויק ביותר.
• חוקרים שילבו מספר טכניקות כדי למפות בהצלחה את קנה הסוכר DNA ולזהות תחומי מפתח – כולל כמה הקשורים לייצור והובלת סוכר וכן עמידות למחלות בפני חלודה חומה.
• ניתן להשתמש בגנום הייחוס של קנה סוכר כדי לעזור לגדל יבולים עמידים יותר או להגביר את ייצור הסוכר, עם יישומים בחקלאות וביו-אנרגיה.

מבוא לקנה סוכר היברידי מודרני

קנה סוכר היברידי מודרני הוא אחד הגידולים הנקצרים ביותר על פני כדור הארץ, המשמש לייצור מוצרים הכוללים סוכר, מולסה, ביואתנול וחומרים מבוססי ביו. יש לו גם את אחת השרטוטים הגנטיים המורכבים ביותר.

עד כה, הגנטיקה המסובכת של קנה הסוכר הפכה אותו לגידול העיקרי האחרון ללא גנום שלם ומדויק במיוחד. מדענים פיתחו ושילבו טכניקות מרובות כדי למפות בהצלחה את הקוד הגנטי של קנה הסוכר.

עם המפה הזו, הם הצליחו לאמת את המיקום הספציפי המספק עמידות למחלת החלודה החומה המשפיעה, אשר, ללא בדיקה, עלולה להרוס יבול סוכר. חוקרים יכולים גם להשתמש ברצף הגנטי כדי להבין טוב יותר את הגנים הרבים המעורבים בייצור סוכר.

התקדמות במחקר הגנטי של קני סוכר

המחקר נערך כחלק מתוכנית מדעי הקהילה במכון הגנום המשותף של מחלקת האנרגיה של ארה"ב (JGI), מתקן משתמש של משרד המדעי של DOE במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי). המחקר פורסם ב-27 במרץ בכתב העת טֶבַעוהגנום זמין דרך פורטל הצמחים של JGI, Phytozome.

"זה היה רצף הגנום המסובך ביותר שעדיין השלמנו", אמר ג'רמי שמוץ, מוביל תוכנית הצמחים ב-JGI וחוקר הפקולטה במכון HudsonAlpha לביוטכנולוגיה. "זה מראה כמה רחוק הגענו. זה מסוג הדברים שלפני 10 שנים אנשים חשבו שהם בלתי אפשריים. אנחנו מסוגלים להשיג מטרות עכשיו שפשוט לא חשבנו שאפשר לעשות בגנומיקה של צמחים".

הגנום של קנה סוכר הוא כל כך מורכב הן בגלל שהוא גדול והן בגלל שהוא מכיל יותר עותקים של כרומוזומים מאשר צמח טיפוסי, תכונה הנקראת פוליפלואידה. לקני סוכר יש כ-10 מיליארד זוגות בסיסים, אבני הבניין של ה-DNA; לשם השוואה, לגנום האנושי יש כ-3 מיליארד.

חלקים רבים מה-DNA של קני סוכר זהים הן בתוך הכרומוזומים השונים והן על פניהם. זה הופך את זה לאתגר להרכיב מחדש את כל המקטעים הקטנים של ה-DNA תוך בנייה מחדש של התוכנית הגנטית המלאה. החוקרים פתרו את החידה על ידי שילוב של טכניקות ריצוף גנטיות מרובות, כולל שיטה חדשה שפותחה המכונה PacBio HiFi רצף שיכולה לקבוע במדויק את הרצף של קטעים ארוכים יותר של DNA.

הבנה ושימוש בגנום קנה הסוכר

בעל "גנום התייחסות" מלא מקל על חקר קנה הסוכר, ומאפשר לחוקרים להשוות את הגנים והמסלולים שלו לאלו בגידולים אחרים שנחקרו היטב כמו סורגום או גידולי דלק ביולוגי אחרים בעלי עניין, כמו סוויצ'ראס ומיסקנתוס. על ידי השוואת התייחסות זו לגידולים אחרים, קל יותר להבין כיצד כל גן משפיע על תכונה של עניין, כגון אילו גנים מתבטאים מאוד במהלך ייצור סוכר, או אילו גנים חשובים לעמידות למחלות. מחקר זה מצא כי הגנים האחראים לעמידות לחלודה חומה, פתוגן פטרייתי שגרם בעבר לנזק של מיליוני דולרים לגידולי קני סוכר, נמצאים רק במיקום אחד בגנום.

"כאשר רצפנו את הגנום, הצלחנו למלא פער ברצף הגנטי סביב מחלת החלודה החומה", אמר אדם הילי, מחבר המאמר הראשון וחוקר בהדסון אלפא.

"יש מאות אלפי גנים בגנום קנה הסוכר, אבל זה רק שני גנים, הפועלים יחד, שמגנים על הצמח מפני הפתוגן הזה. על פני צמחים, ישנם רק קומץ מקרים שאנו יודעים שבהם ההגנה פועלת בצורה דומה. הבנה טובה יותר של איך עמידות למחלה זו פועלת בקנה סוכר יכולה לעזור להגן על יבולים אחרים המתמודדים עם פתוגנים דומים בהמשך הדרך."

חוקרים חקרו זן של קנה סוכר המכונה R570 המשמש במשך עשרות שנים ברחבי העולם כמודל להבנת הגנטיקה של קנה הסוכר. כמו כל זני קנה הסוכר המודרניים, R570 הוא הכלאה המיוצר על ידי חציית מבוית מִין של קנה סוכר (שהצטיין בייצור סוכר) ומין בר (שנשא את הגנים לעמידות למחלות).

השפעה פוטנציאלית על חקלאות וביו-אנרגיה

"הכרת התמונה הגנטית השלמה של R570 תאפשר לחוקרים לאתר אילו גנים צאצאים מאיזה הורה, מה שיאפשר למגדלים לזהות ביתר קלות את הגנים השולטים בתכונות המעניינות לייצור משופר", אמרה אנג'ליק ד'הונט, מחברת אחרונה של המאמר וקנה סוכר. חוקר במרכז המחקר החקלאי הצרפתי לפיתוח בינלאומי (CIRAD).

לשיפור זנים עתידיים של קני סוכר יש יישומים פוטנציאליים הן בחקלאות והן בביו-אנרגיה. שיפור האופן שבו קני סוכר מייצרים סוכר עשוי להגדיל את התשואה שהחקלאים מקבלים מהיבולים שלהם, לספק יותר סוכר מאותה כמות שטח גידול.

קנה סוכר הוא חומר מוצא חשוב לייצור דלק ביולוגי, במיוחד אתנול ומוצרים ביולוגיים אחרים. השאריות שנשארות לאחר הכבישה של קני סוכר, המכונה באגסה, הן סוג חשוב של שאריות חקלאיות שניתן גם לפרק ולהמיר לביו-דלקים ולמוצרים ביולוגיים.

"אנחנו עובדים כדי להבין כיצד גנים ספציפיים בצמחים קשורים לאיכות הביומסה שאנו מקבלים במורד הזרם, שאותה נוכל להפוך לדלק ביולוגי ולמוצרים ביולוגיים", אמר בלייק סימונס, סמנכ"ל המדע והטכנולוגיה של Joint BioEnergy Institute, DOE מרכז מחקר ביו-אנרגיה בהובלת מעבדת ברקלי.

"עם הבנה טובה יותר של גנטיקה של קני סוכר, נוכל להבין ולשלוט טוב יותר בגנוטיפים של הצמחים הדרושים לייצור הסוכרים וחומרי הביניים המופקים בבגאס שאנו צריכים עבור טכנולוגיות המרת קני סוכר בר-קיימא בקנה מידה רלוונטי לביו-כלכלה."

מחקר זה כלל שיתופי פעולה עם מכונים מרחבי העולם, כולל צרפת (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); אוסטרליה (CSIRO חקלאות ומזון, ברית קווינסלנד לחקלאות וחדשנות מזון/מרכז המצוינות של ARC להצלחת צמחים בטבע ובחקלאות – אוניברסיטת קווינסלנד, מחקר סוכר אוסטרליה); צ'כיה (המכון לבוטניקה ניסויית של האקדמיה הצ'כית למדעים); וארצות הברית (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). הגנום רושם ב-JGI עם עבודה שהושלמה במעבדות השותפות של JGI, ב- Arizona Genomics Institute וב- HudsonAlpha Institute for Biotechnology.

מכון הגנום המשותף הוא מתקן משתמש של משרד האנרגיה של משרד המדע. מכון הביו-אנרגיה המשותף הוא מרכז מחקר ביו-אנרגיה של DOE.