Ερευνητές ολοκλήρωσαν τη χαρτογράφηση των γονιδιωμάτων των ποικιλιών Frantoio και Leccino
Μετά από δύο χρόνια επίπονης εργασίας, οι ερευνητές βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στο να εξακριβώσουν γιατί ορισμένες ελιές είναι πιο ανθεκτικές στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής.
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών χαρτογράφησε το πλήρες γονιδίωμα των ποικιλιών ελιάς Leccino και Frantoio.
Η γονιδιωματική χαρτογράφηση των δύο αυτόχθονων ιταλικών ποικιλιών, που σήμερα καλλιεργούνται σε δεκάδες χώρες, θα επιτρέψει στους ερευνητές να τις συγκρίνουν και θα ανοίξει το δρόμο για μια βαθύτερη κατανόηση της γενετικής της ελιάς.
«Σε εποχές κλιματικής αλλαγής, το να γνωρίζουμε περισσότερα για τη γενετική της ελιάς σημαίνει να γνωρίζουμε περισσότερα για το πώς αυτά τα δέντρα αντιδρούν σε σημαντικούς και, μερικές φορές, νέους περιβαλλοντικούς παράγοντες πίεσης», δήλωσε ο Luca Sebastiani.
Η αλληλούχιση μας επιτρέπει να διαθέτουμε ένα λεξιλόγιο με το οποίο μπορούμε να κατανοήσουμε γιατί αυτές οι δύο ποικιλίες είναι διαφορετικές.
Ο συντονιστής της μελέτης, ο οποίος είναι επίσης τακτικός καθηγητής κηπευτικών επιστημών στη Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, δήλωσε στην Olive Oil Times ότι η γονιδιωματική θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο ανθεκτικούς ελαιώνες στη λεκάνη της Μεσογείου.
«Για να προσαρμοστούμε στην κλιματική αλλαγή, χρειαζόμαστε ανθεκτικούς γονότυπους, καθώς και κατάλληλες αγρονομικές τεχνικές», δήλωσε ο Sebastiani. «Εάν υπάρχει έλλειψη νερού, θα χρειαστεί άρδευση, αλλά και ποικιλίες που χρησιμοποιούν το νερό αποδοτικά. Υπάρχουν επίσης προκλήσεις που σχετίζονται με υψηλότερες θερμοκρασίες, ευαισθησία σε νέους παθογόνους οργανισμούς και επιθέσεις εντόμων».
«Η χαρτογράφηση γονιδίων είναι ένα από τα εργαλεία που μας επιτρέπουν να βρούμε λύσεις πιο γρήγορα», πρόσθεσε.
Ενώ η γονιδιακή επεξεργασία της ελιάς βρίσκεται ακόμη στα πρώτα της βήματα, η σύγκριση των γονιδιωμάτων των δύο ποικιλιών θα μπορούσε να αποφέρει πιο ανθεκτικά δέντρα πιο γρήγορα από τα παραδοσιακά προγράμματα αναπαραγωγής.
Γενετική έναντι γονιδιωματικής
Η γενετική είναι η μελέτη των μεμονωμένων γονιδίων, του τρόπου με τον οποίο επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά και της κληρονομικότητας. Η γονιδιωματική είναι η μελέτη όλων των γονιδίων στο γονιδίωμα και των αλληλεπιδράσεών τους μεταξύ τους και με το περιβάλλον.
Τόσο το Frantoio όσο και το Leccino είναι καλά τεκμηριωμένα στην επιστημονική βιβλιογραφία, όπως και η συμπεριφορά τους όταν αντιμετωπίζουν περιβαλλοντικό στρες.
«Οι αντιδράσεις τους στο στρες, τόσο στην ξηρασία όσο και ειδικά στην αλατότητα, αποτελούν πολύ ενδιαφέροντα μοντέλα, επειδή το Frantoio είναι ανθεκτικό, ενώ το Leccino είναι λιγότερο», είπε ο Sebastiani.
«Εργαζόμαστε εδώ και χρόνια για να εξηγήσουμε τον μηχανισμό πίσω από αυτή τη διαφορά, αλλά χωρίς γονιδιωματικά δεδομένα, ήταν πάντα δύσκολο να κατανοήσουμε πλήρως ποια γονίδια ενδέχεται να εμπλέκονται», πρόσθεσε.
Δείτε επίσης: Οι ελιές με υψηλότερη περιεκτικότητα σε φαινόλες είναι πιο ανθεκτικές στην ανθρακνόζη«Η αλληλούχιση μας επιτρέπει να διαθέτουμε ένα λεξιλόγιο με το οποίο μπορούμε να κατανοήσουμε γιατί αυτές οι δύο ποικιλίες είναι διαφορετικές», σημείωσε ο Sebastiani.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η συνήθης πρακτική της επιλογής ποικιλιών ελιάς μέσω της παραδοσιακής αναπαραγωγής είναι χρονοβόρα και δεν αποδίδει πάντα τα καλύτερα αποτελέσματα.
Στην εργασία τους, οι ερευνητές σημείωσαν ότι τα αποτελέσματα είναι ανάμεικτα, καθώς «λείπουν σε μεγάλο βαθμό ακριβείς μοριακές πληροφορίες σχετικά με τη θέση και τη δομή των γονιδίων». Χρειάστηκαν περισσότεροι από δύο χρόνια στους επιστήμονες για να ολοκληρώσουν τη χαρτογράφηση.
«Τα καταφέραμε χάρη στα κονδύλια του Εθνικού Σχεδίου Ανάκαμψης και Ανθεκτικότητας της Ιταλίας και χάρη στο γεγονός ότι είμαστε μια αρκετά μεγάλη ομάδα», δήλωσε ο Sebastiani, στην οποία συμμετείχαν επίσης συνάδελφοι από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και το Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας Βασιλιά Αμπντουλάχ στη Σαουδική Αραβία.
Σε αμφότερες τις ποικιλίες βρέθηκε υψηλό ποσοστό μακρών τερματικών επαναλήψεων, γεγονός που υποδηλώνει σημαντική ομοιότητα στο γονιδίωμά τους.
Οι επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA δεν είναι τυχαίες, καθώς διαμορφώνονται από την εξέλιξη και μπορεί να διαδραματίζουν σημαντικούς ρόλους, όπως η συμβολή στη διατήρηση της σταθερότητας και της ακεραιότητας του γονιδιώματος.
«Δεν γνωρίζουμε ακόμη πολύ καλά πώς αλληλεπιδρούν τα διάφορα μέρη του γονιδιώματος», είπε ο Sebastiani. «Τώρα που διαθέτουμε αυτές τις πληροφορίες για διαφορετικές ποικιλίες, μπορούμε να αρχίσουμε να διακρίνουμε αυτές τις διαφορές, και αυτό θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα το είδος τα επόμενα χρόνια.»
Σύγκρινε την πρόκληση που αντιμετώπισαν οι ερευνητές κατά τη χαρτογράφηση των γονιδιωμάτων των δύο ποικιλιών με την ολοκλήρωση ενός παζλ, όπου τα μισά κομμάτια απεικονίζουν έναν καθαρό μπλε ουρανό.
«Σε μια τέτοια περίπτωση, η σύνδεση των κομματιών του παζλ είναι πολύ πιο περίπλοκη σε σύγκριση με ένα παζλ που παρουσιάζει πολλές παραλλαγές», είπε. «Αυτό αποτελεί πρόβλημα στις ελιές, επειδή έχουμε πολλές περιοχές με υψηλό βαθμό επαναλήψεων».
Ο εντοπισμός της θέσης των γονιδίων μέσα σε ένα γονιδίωμα είναι θεμελιώδης για τη μετατροπή των ακατέργαστων αλληλουχιών DNA σε πρακτική γνώση, και βοηθά τους ερευνητές να συνδέσουν ένα γονίδιο με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό, όπως η απόδοση, η σύνθεση του ελαίου ή η αντοχή σε παράσιτα και ασθένειες.
Αυτή η γνώση επιταχύνει τα προγράμματα βελτίωσης, αντικαθιστώντας την αργή, τυχαία επιλογή με στοχευμένες προσεγγίσεις.
Η θέση των γονιδίων αποκαλύπτει επίσης τον τρόπο με τον οποίο ρυθμίζονται και αλληλεπιδρούν, προσφέροντας πληροφορίες σχετικά με την προσαρμογή και την εξημέρωση.
Στις ελιές, οι ακριβείς χάρτες επιτρέπουν στους επιστήμονες να συγκρίνουν ποικιλίες, να εντοπίζουν εξελικτικές αλλαγές και να σχεδιάζουν εργαλεία ακριβείας, όπως η αναπαραγωγή με τη βοήθεια δεικτών ή η γονιδιακή επεξεργασία, για την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών και υψηλής ποιότητας ποικιλιών.
«Αυτή η χαρτογράφηση υψηλής ποιότητας μπορεί να γίνει μόνο όταν διαθέτεις τεχνικές που αλληλουχούν πολύ μεγάλα θραύσματα, κάτι που το καθιστά ευκολότερο», είπε ο Sebastiani.
«Με την πάροδο των ετών, έχει σημειωθεί τεράστια εξέλιξη στις τεχνικές», πρόσθεσε. «Σήμερα διαθέτουμε το PacBio, το οποίο επιτρέπει την αλληλούχιση μακρύτερων θραυσμάτων DNA, κάτι που δεν ήταν δυνατό στο παρελθόν.»
Σε κατάσταση στρες, όπως αυτή που προκαλείται από την αλατότητα του εδάφους ή την ξηρασία, μπορεί να εμπλέκονται μόνο λίγα γονίδια, με διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ των δύο ποικιλιών.
«Μια μικρή διαφορά στη δομή του γονιδίου, ή ακόμη και στην περιοχή του προαγωγού που ρυθμίζει το βαθμό λειτουργίας του γονιδίου, μπορεί να προκαλέσει την πλήρη απενεργοποίηση ενός γονιδίου, ή να το καταστήσει λιγότερο ενεργό, ή πιο ενεργό», είπε ο Sebastiani.
Πρόσθεσε ότι η αναγνώριση και η κατανόηση των διαφορών είναι ζωτικής σημασίας.
«Αν καταλάβω ότι ένα γονίδιο που εμπλέκεται σε έναν συγκεκριμένο τύπο στρες έχει μια δομή στο Frantoio και μια άλλη στο Leccino, και λειτουργεί καλύτερα στο Frantoio και χειρότερα στο Leccino, τότε μπορώ επίσης να χρησιμοποιήσω τεχνικές ανάλυσης γονιδιακής έκφρασης, με αλληλούχιση RNA ή άλλες τεχνολογίες, για να δω αν αυτή η δομική παραλλαγή επηρεάζει τη δραστηριότητα», είπε ο Sebastiani.
«Αν ανακαλύψω ότι επηρεάζει, διαθέτουμε πλέον και τη γενετική επεξεργασία», πρόσθεσε. «Στις ελιές, δεν είναι ακόμη πολύ αποτελεσματική, αλλά θα μπορούσα να ξαναγράψω το γονίδιο Leccino ώστε να μιμηθεί τη μορφή του γονιδίου Frantoio, μεταφέροντας αυτή την πληροφορία ώστε να λειτουργεί διαφορετικά».
Ωστόσο, ο Sebastiani εξήγησε ότι η έρευνα για την επεξεργασία των γονιδίων της ελιάς βρίσκεται ακόμη στα αρχικά στάδια πειραματισμού σε σύγκριση με άλλα είδη.
«Εργάζομαι επίσης με τη ομάδα μου πάνω στην λεύκα [το γένος των 35 ειδών ιτιών]», είπε ο Sebastiani. «Στη λεύκα, μπορούμε ήδη να το κάνουμε. Στις ελιές, το πρόβλημα παραμένει οι δυσκολίες μετασχηματισμού με αυτές τις τεχνικές επεξεργασίας· μπορεί να χρειαστούν χρόνια».
Παρόλο που έχουν σημειωθεί ραγδαίες εξελίξεις στην τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων, ο Sebastiani αναγνώρισε ότι είναι αδύνατο να εκτιμηθεί πόσο χρόνο μπορεί να χρειαστεί.
Ωστόσο, αναμένει ότι η ταχεία ανάπτυξη της γονιδιωματικής και των σχετικών τεχνολογιών ενδέχεται να έχει αντίκτυπο σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα σε σύγκριση με προηγούμενες προσεγγίσεις.
«Σήμερα, ακόμη και χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές αλλά με τη βοήθεια της μοριακής βιολογίας, αν διασταυρώσω τις ποικιλίες Leccino και Frantoio για να μεταφέρω την αντοχή στο αλάτι, θα πρέπει να περιμένω μέχρι να αναπτυχθεί το φυτό και στη συνέχεια να το δοκιμάσω. Αυτό απαιτεί πολύ χρόνο», είπε.
«Αν αντίθετα αναζητήσω απευθείας τη δομή του γονιδίου, μπορώ ήδη να το εντοπίσω με τη γονιδιωματική ή άλλες τεχνικές», πρόσθεσε ο Sebastiani. «Σήμερα μπορώ ακόμη και να αλληλουχίσω ολόκληρο το γονιδίωμα με μειωμένο κόστος, και δεδομένου ότι διαθέτω ήδη το γονιδίωμα αναφοράς, μπορώ να δω ακριβώς πού βρίσκεται αυτό το γονίδιο και σε ποια θέση».
«Θα μπορούσα να πάρω το Leccino, γνωρίζοντας ότι δύο ή τρία γονίδια αυξάνουν την αντοχή, και να τροποποιήσω μόνο αυτά», σημείωσε. «Με την επεξεργασία, αν όλα δούλευαν, σε ένα ή δύο χρόνια, θα μπορούσε να γίνει στο εργαστήριο. Αυτό θα ήταν ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός».
Η γονιδιωματική και η χαρτογράφηση των γονιδίων της ελιάς θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για μια νέα προσέγγιση στην ελαιοκαλλιέργεια.
Ενώ η παραδοσιακή καλλιέργεια συχνά περιλαμβάνει ελαιώνες αιώνων, οι νέοι ελαιώνες που φυτεύονται με γενετικά τροποποιημένες ποικιλίες ελιάς θα μπορούσαν να αποδειχθούν κρίσιμοι για τη στήριξη της παραγωγής στο πλαίσιο ενός θερμότερου και ξηρότερου μεσογειακού κλίματος.
«Αυτές οι νέες γνώσεις θα μπορούσαν να μεταφραστούν σε αλλαγές στην παραγωγικότητα, την καινοτομία και τις λύσεις για τους καλλιεργητές», δήλωσε ο Sebastiani.
Η ερευνητική ομάδα θα αξιοποιήσει τις νέες γονιδιωματικές πληροφορίες για να κατανοήσει καλύτερα τις διαφορές μεταξύ των δύο ποικιλιών ως προς την αντίδρασή τους στο αλατικό στρες.
«Σχεδιάζουμε επίσης, αν είναι δυνατόν, να αλληλουχίσουμε περισσότερες ποικιλίες που μας ενδιαφέρουν για τις αντιδράσεις τους σε άλλα στρες, συμπεριλαμβανομένων των ρύπων», κατέληξε ο Sebastiani. «Σίγουρα θα χρησιμοποιήσουμε τη γονιδιωματική για να κατανοήσουμε καλύτερα τους μηχανισμούς.»