Johns Hopkins-wetenschappers melden dat ze met succes twee afzonderlijke gentechnologieën hebben gebruikt om de meest complete genoomsequentie tot nu toe van Triticum aestivum samen te stellen, de meest voorkomende gecultiveerde tarwesoort die wordt gebruikt om brood te maken.

Een rapport over de prestatie werd gepubliceerd in het nummer van 23 oktober van: GigaScience slechts een paar weken voor hun verwante rapport over de volgorde van de "voorouder van de broodtarwe", "Aegilops tauschii, gepubliceerd op 15 november in Natuur .

Samen, ze zeggen, de tarwegenoomsequenties kunnen biologen niet alleen helpen de evolutionaire geschiedenis van tarwe beter te begrijpen, maar ook de zoektocht naar sterkere, meer ongedierte- en droogteresistente tarwesoorten om de groeiende wereldbevolking te helpen voeden.

"Na vele jaren proberen, we zijn er eindelijk in geslaagd een hoogwaardige assemblage van dit zeer uitdagende genoom te produceren, " zegt Steven Salzberg, doctoraat, Bloomberg Distinguished Professor of Biomedical Engineering aan de Johns Hopkins University Whiting School of Engineering en het McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine aan de Johns Hopkins University School of Medicine.

Volgens de Johns Hopkins-wetenschappers, broodtarwe heeft een van de meest complexe genomen die de wetenschap kent, met naar schatting 16 miljard basenparen DNA en zes kopieën van zeven chromosomen. Ter vergelijking, het menselijk genoom is ongeveer vijf keer kleiner, met ongeveer drie miljard basenparen en twee kopieën van 23 chromosomen. Eerder gepubliceerde versies van het genoom van broodtarwe bevatten grote gaten in de zeer repetitieve DNA-sequentie.

"De repetitieve aard van dit genoom maakt het moeilijk om de volledige sequentie te bepalen, ", zegt Salzberg. "Het is alsof je een legpuzzel probeert te maken van een landschapsscène met een enorme blauwe lucht. Er zijn veel zeer vergelijkbare, kleine stukjes om in elkaar te zetten."

Het nieuw samengestelde genoom van broodtarwe, die $ 300 kosten, 000 voor de sequencing alleen, het duurde een jaar voordat de Johns Hopkins-onderzoekers 1,5 biljoen basen aan onbewerkte gegevens verzamelden tot een uiteindelijke assemblage van 15,34 miljard basenparen.

Om het te doen, Salzberg en zijn team gebruikten twee soorten genoomsequencing-technologie:high-throughput short-read sequencing en long-read, sequentiebepaling van één molecuul. Zoals de naam al aangeeft, High-throughput-sequencing genereert zeer snel en goedkoop enorme hoeveelheden DNA-basenparen, hoewel de fragmenten erg kort zijn - slechts 150 basenparen lang voor dit project. Om te helpen bij het samenstellen van de repetitieve gebieden, het Johns Hopkins-team gebruikte realtime, enkele molecuul sequentiëring, die DNA leest terwijl het wordt gesynthetiseerd in een kleine, nanoschaal goed op een chip. De technologie stelt wetenschappers in staat om tot 20, 000 basenparen tegelijk door fluorescentiesignalen te meten die worden uitgezonden wanneer elke DNA-base wordt gekopieerd.

Salzberg zegt dat het sequencen van een genoom van deze omvang niet alleen genetische expertise vereist, maar ook zeer grote computerbronnen die beschikbaar zijn bij relatief weinig onderzoeksinstellingen over de hele wereld. Het team leunde zwaar op het Maryland Advanced Research Computing Center, een computercentrum dat wordt gedeeld door Hopkins en de Universiteit van Maryland, die heeft meer dan 20, 000 computercores (CPU's) en meer dan 20 petabyte aan gegevensopslag. Het team gebruikte ongeveer 100 CPU-jaren om dit genoom samen te stellen.

Salzberg en zijn team namen ook deel aan de gezamenlijke inspanning die werd gerapporteerd in het tijdschrift Nature om een ​​voorouderlijk type tarwe te sequensen, Aegilops tauschii, die gewoonlijk wordt aangeduid als geitengras en nog steeds wordt aangetroffen in delen van Azië en Europa. Het genoom is ongeveer een derde van het genoom van broodtarwe, maar heeft vergelijkbare niveaus van herhaling. Het werk, gedaan als onderdeel van een samenwerking tussen de Universiteit van Californië, Davis; Johns Hopkins; en de Universiteit van Georgië, duurde ongeveer vier jaar om te voltooien. Met behulp van geordende kloon-genoomsequencing, shotgun-sequencing en optische genoommapping, het team bracht de 4,3 miljard nucleotiden samen die de genetische sequentie van de plant vormen. Met deze informatie, de rest van het team was in staat om sequenties te identificeren die de genen vormen die verantwoordelijk zijn voor specifieke kenmerken in de plant.