Eksperci opracowują nową genetyczną mapę drogową dla genomu tytoniu

Ponad 16 milionów ludzi ma już co najmniej jedną chorobę związaną z paleniem. W celu zidentyfikowania i sklonowania dwóch zmutowanych genów związanych z efektywnym wykorzystaniem azotu przez rośliny, wykorzystano nową genetyczną mapę drogową dotyczącą tytoniu. Odkrycie to może pewnego dnia pomóc zmniejszyć zapotrzebowanie na nawozy azotowe w uprawie roślin.

Naukowcy z British American Tobacco, North Carolina State University (Raleigh, North Carolina, USA) oraz Boyce Thompson Institute (Cornell University, Ithaca, Nowy Jork, USA) pracowali razem nad nową genetyczną mapą drogową genomu tytoniu (Nicotiana tabacum). Ta mapa drogowa określa pozycję (lub "kotwice") 64% genomu tytoniu, w porównaniu z zaledwie 20% w poprzednich próbach. Genom tytoniu jest o około 50% większy od genomu ludzkiego (na poziomie około 4Gb). Jest on również znacznie bardziej skomplikowany niż genom ludzki, ponieważ jest allopoliploidalny, czyli powstaje w wyniku hybrydyzacji różnych gatunków przodków (w tym przypadku N. sylvestris i N. tomentosiformis) - każda komórka tytoniu zawiera zestawy chromosomów pochodzących z obu tych gatunków.

Te same geny mogą również odgrywać rolę w redukcji poziomu niektórych związków rakotwórczych w dymie papierosowym. Nadmierne stosowanie nawozów azotowych w uprawach może prowadzić do nadmiaru azotanów w środowisku, co z kolei może prowadzić do zakwaszenia wody i eutrofizacji, a także wymywania składników odżywczych z gleby. Może to spowodować zmniejszenie różnorodności biologicznej i wydajności upraw, a także mieć negatywny wpływ zarówno na zdrowie zwierząt, jak i ludzi. W przypadku tytoniu, nieefektywny metabolizm azotu przez rośliny może prowadzić do wysokiego stężenia niektórych związków azotowych w liściach, których obecność prowadzi do powstawania w dymie tytoniowym niektórych specyficznych dla tytoniu substancji toksycznych.

To sprawia, że montaż sekwencji genomów jest bardzo trudny technicznie, ponieważ połączone genomy są bardzo do siebie podobne w sekwencji - w efekcie przypomina to trochę próbę złożenia dwóch wymieszanych puzzli zawierających bardzo podobne, ale nie identyczne zdjęcia. Sekwencja zawiera również wiele powtórzeń, co sprawia, że składanie niektórych obszarów jest jak próba ułożenia puzzli z błękitnego nieba. Generowanie tego dramatycznie ulepszonego zespołu dla tytoniu jest znaczącym krokiem naprzód" - powiedział Chris Proctor, dyrektor naukowy British American Tobacco - "Otworzy to kilka kierunków badań, które pomogą naukowcom lepiej zrozumieć ewolucję tytoniu, aby zidentyfikować geny odpowiedzialne za kilka cech, niezależnie od tego, czy są one związane z poprawą zrównoważonego rozwoju rolnictwa, zmniejszeniem poziomu substancji toksycznych w produktach tytoniowych, czy też poprawą produkcji farmaceutyków i biopaliw.Nowy zespół został już wykorzystany do pomyślnego zidentyfikowania dwóch zmutowanych genów, które wyjaśniają, dlaczego tytoń Burley nie jest bardzo skuteczny w wykorzystywaniu azotu w porównaniu z innymi rodzajami tytoniu. "Różne odmiany tytoniu Burley mają te dwa wspólne geny, co pozwala nam zrozumieć, dlaczego różnią się one od innych rodzajów tytoniu", wyjaśnił Allen Griffiths, dyrektor ds. biotechnologii roślin w British American Tobacco. "Uważamy, że jest to pierwsze udane odkrycie genów opartych na mapach dla N. tabacum i pokazuje wartość wysokiej jakości zespołu genomu dla przyszłych badań". Azot jest niezbędny dla wzrostu roślin, a wielu rolników dodaje do upraw nawozy azotowe, aby osiągnąć dobre plony. Jednak nadmiar azotu może mieć negatywny wpływ na środowisko. Odkrycie tych genów może zatem przyczynić się do poprawy efektywności wykorzystania azotu w niektórych rodzajach tytoniu, a także w innych uprawach ważnych z handlowego punktu widzenia - ostatecznie zmniejszając zapotrzebowanie na nawozy chemiczne. Wpływ niższej efektywności wykorzystania azotu w Burley'u na jego metabolizm i wzrost oznacza, że niektóre warianty roślin zawierają zwiększone poziomy nikotyny, innych alkaloidów i azotynów, co powoduje wyższe poziomy specyficznych dla tytoniu związków nitrozaminy (TSNA) w ich liściach. Modyfikacja zmutowanych genów może również potencjalnie prowadzić do rozwoju nowych odmian tytoniu, które zawierają niższe poziomy TSNA. Aby zakotwiczyć kod genetyczny, naukowcy zastosowali nową technikę znaną jako mapowanie optyczne. Polega ona na pobieraniu odcisków palców z genomu - oznaczaniu określonych wzorów sekwencji w bardzo długich sekwencjach nieznanego DNA - w celu stworzenia kodu kreskowego fragmentów DNA. Kod kreskowy jest następnie używany jako szablon, na który można upuścić i dopasować nowy zespół, trochę jak do wypełnienia puzzli na wierzchu śladu jego obrazu. Pozwoliło to zakotwiczyć znacznie więcej genomu na chromosomach tytoniowych w porównaniu z poprzednimi zespołami.