TE kot gonilo sprememb v genomu pšenice
Uvod
Danes je t.i. navadna pšenica (Triticum aestivum) gospodarsko najpomembnejša vrsta pšenice v Srednji in Zahodni Evropi in predstavlja kar 20 % dnevnega kalorijskega vnosa. Genetsko sodi med aloheksaploide (genom AABBDD), kar pomeni, da je sestavljena iz treh različnih diploidnih prednikov iz rodov Triticum in Aegilops. Prvi par kromosomov izvira iz vrste Triticum urartu (genom AA), drugi iz vrste Sitopsis, ki je prednik današnje Aegilops speltoides (genom BB), tretji pa iz vrste Aegilops tauschii (genom DD). Pred približno 0,5 milijona let je prišlo do alopoliploidizacije med genomom AA in BB in nastala je vrsta alotetraploida, imenovana dvozrnica ali divji emer (genom AABB). Z udomačitvijo in gojenjem te vrste pšenice je prišlo do nastanka udomačene emer pšenice, iz katerega je po selekciji nastala trda oz. durum pšenica. Pred 10. tisoč leti je sledila še druga alopoliploidizacija, ki je bila posledica hibridizacije med udomačeno emer pšenico in vrsto Aegilops tauschii (genom DD). Ti dve zaporedni alopoliploidizaciji sta vodili do nastanka navadne pšenice, kar kaže na to, da je divji emer neposredni prednik vseh gospodarsko pomembnih udomačenih vrst pšenic.
Čeprav je pšenica zelo pomembna poljščina, je razvoj na področju njene genomike počasi napredoval. Glavna ovira pri oblikovanju genoma navadne pšenice je bilo sestavljanje kontigov (niz prekrivajočih segmentov DNA, ki skupaj tvorijo konsenzno regijo DNA), ki so bili večinoma (v več kot 85 %) sestavljeni iz ponavljajočih se zaporedij, ki so posledica velikega števila transpozicijskih elementov (TE). V zadnjem desetletju so hitre izboljšave metod sekvenciranja in sestavljanja DNA omogočile izdelavo celotnega genoma navadne pšenice in nekaterih njenih prednikov. Prvi osnutek genoma navadne pšenice je bil objavljen leta 2014 in je temeljil na kromosomskem sekvenciranju. Leta 2017 je bil objavljen prvi osnutek genoma divje emer pšenice, ki je temeljil na algoritmu, ki je sposoben obdelati genom z veliko enakimi ponovitvami DNA. Z razvojem ostalih metod sekvenciranja se je začelo obdobje genomike pšenice. Objavljeni sta bili zaporedji vrst Aegilops tauschii in Triticum urartu ter osnutka celotnega genoma navadne in durum pšenice. To je privedlo do raziskav, ki so proučevale raznolikost in strukturo genoma pšenice ter povezavo in vpliv TE.
Vsebnost in razporeditev TE v genomu navadne pšenice TE sestavljajo približno 85 % celotnega genoma navadne pšenice z razmeroma enakomerno porazdelitvijo po vseh treh podgenomih (genomi A, B in D). Prevladujejo naddružine Copia (razred I), Gypsy (razred I) in CACTA (razred II). LTR retrotranspozoni, ki pripadajo naddružini Copia, Gypsy ali nerazvrščeni naddružini, sestavljajo 66,6 % genoma navadne pšenice. Čeprav se velikosti podgenomov razlikujejo (največji je genom B, najmanjši pa D), delež TE, sestava naddružin in družin ostajajo podobni. Vzrok za manjšo velikost D podgenoma je v manjši vsebnosti Gypsy elementov.
Starost in kromosomska razporeditev LTR-RT
S pomočjo mutacij zaporedij so znanstveniki ugotovili tudi starost LTR-RT. Družina Copia naj bi se v genom vstavila pred približno enim milijonom let, Gypsy 1,3 milijonom let, RLX pa 1,5 milijona let nazaj, pri čemer so se v podgenom D TE vstavili kasneje kot v podgenoma A in B. Sprva so domnevali, da TE najprej doživijo izbruhe pomnoževanje, nato pa hitro utišanje, vendar so sčasoma nekatere raziskovalne skupine začele trditi, da se TE v genomu počasi kopičijo. Povprečna razdalja med začetnim mestom transkripcije gena (TSS) in najbližjim TE je 1,52 kbp, podobna razdalja je tudi med mestom zaključka transkripcije in najbližjim TE. V študijah so ugotovili, da so bile družine LTR v proksimalnih regijah kromosomov starejše kot tiste v distalnih, domnevno zaradi hitrejšega odstranjevanja TE v distalnih regijah. Prav tako je bil delež TE v kromosomu navadne pšenice manjši v distalnih regijah, saj je predstavljal 73 % delež, medtem ko je v proksimalnih regijah predstavljal kar 89 % delež. V teh regijah so zbrani TE naddružine Gypsy in družina Jorge iz CACTE, telomerna območja pa so bogata z naddružino Copia in družino Caspar iz CACTE. Ugotovili so tudi, da LTR-RT in elementi CACTA prevladujejo v regijah med posameznimi geni, čeprav je na splošno v intergenskih regijah le malo TE. Večina jih je vstavljenih v regije z geni, predvsem majhni TE, kot sta naddružini Tourist in Stowaway transpozonov MITE (Miniature inverted repeat TEs).
Večina MITE se nahaja v delih, ki se ne bodo prevedli, približno 13 % vnosov pa se vsaj deloma nahaja v kodirnih območjih. Transkripti, ki vsebujejo MITE, so običajno daljši od drugih transkriptov istega gena. Nekoliko drugačen pa imajo vpliv retrotranspozoni družine SINE (kratki vmesni jedrni elementi), ki ne spadajo med LTR-RT in so svojo aktivnost ohranili tudi po alopoliploidizaciji pšenice. Pri študiji so ugotovili, da je večina insercij Au SINE povezanih z geni, ki kodirajo beljakovine. V večini primerov so bili ti TE vstavljeni v intronska območja genov. Njihova analiza je razkrila veliko alelno variabilnost znotraj rodu Triticum Aegilops, pri čemer je imela večina genov 2 do 9 različic spajanja in vsaj ena od njih je vsebovala Au SINE. Analiza CDS transkriptov je pokazala, da je CDS tistih transkriptov, ki vsebujejo te TE, krajši od običajnega transkripta, kar v primeru prevajanja privede do krajšega proteina. Pa vendar so se introni z vključki Au SINE v transkriptih ohranili, ti transkripti pa so pokazali relativno nizko izražanje. To bi lahko pomenilo, da ti alternativni transkripti nimajo večjega vpliva na normalno delovanje proteinov, lahko pa povzročijo nastanek spremenjenih proteinov z novimi funkcijami.
V povezavi z mobilnostjo TE so pri študiji vstavljanja TE tipa Mariam v genom divjega emerja in navadne pšenice ugotovili, da se TE lahko prenašajo med različnimi kromosomi in tudi med različnimi podgenomi. Čeprav so odkrili že nekaj vlog TE pri koruzi, rižu in soji, je trenutno znanih le nekaj primerov neposrednega vpliva vstavljanja TE na fenotip pšenice. Leta 2019 so identificirali nov alel gena Q v tibetanski poldivji pšenici s transpozonskim insertom v eksonu 5.
Alel Q naj bi nastal zaradi vstavitve transpozona v gen Q udomačene heksaploidne pšenice. Po raziskavah sodeč, naj bi izhajal iz prednika genoma B, ki je bil po poliploidizaciji vključen v genoma A in D. Povečano izražanje gena Q izboljša lastnosti udomačene pšenice, kot so npr. nelomljivost vršičkov in mehkost storžev, nasprotno pa gen povečuje krhkost vršičkov. Tako je alel Q ključni alel za de-domestikacijo pšenice, saj lahko njegovo vlogo pri udomačitvi poljščin zlahka odpravimo s spontanimi mutacijami. Odpornost semen pa naj bi bila akumulirana posledica že obstoječih variacij v navadni pšenici in novih mutacij med de-domestikacijo.
V študiji so v nadaljevanju primerjali izražanje gena za toplotni šok pri vrsti pšenice, odporni na vročino in pri vrsti, ki je bila bolj občutljiva na vročino. Pri slednji so ob pojavu vročinskega stresa ugotovili večje izražanje gena. To naj bi bila posledica prisotnosti MITE v 3' UTR regiji. Odkrili so tudi ONSEN-LTR-RT tipa Copia, ki se aktivira pod toplotnim stresom. Zaradi stresa se ONSEN najprej prepisuje, potem pa se sproži povratni mehanizem, ki povzroči njegovo utišanje.
Vpliv na stres pri pšenici
Aktivacijo TE kot odziv na okoljski stres je prva predlagala že Barbara McClintock, ki je menila, da kontrolni elementi (TE) omogočajo genomu, da se prožneje odziva na okoljski stres. Več ciklov vstavljanja in izrezovanja TE v kodne regije obrambnih genov proti stresu olajša možnost alelne rekombinacije, saj prenos povzroči večjo stopnjo mutacij. Poveča se genetska variabilnost, na katero lahko naravna selekcija deluje tako, da ustvarja ugodne funkcije za vrste, da lahko preživijo stresne razmere.
Znano je, da abiotski stres, kot je obsevanje in povišana temperatura, kot tudi biotski (okužbe z virusi ali patogeni) vpliva oz. prebudi mirujoče TE v rastlinah. Slednji nadzorujejo gostiteljev odziv preko prenosa v regulatorne ali kodirne regije genoma. V eni izmed študij so proučevali vpliv TE v promotorjih genov na vzorce izražanja tripletov homologov v listih pšenice, vendar niso odkrili nobene povezave. Opazili pa so, da je bilo v tkivih, kjer so se tripleti bolje izrazili, večje število TE v bližini začetnega mesta prevajanja. To je vodilo k sklepu, da TE imajo vpliv, vendar je ta vpliv tkivno specifičen in večinoma spreminja dinamičnost izražanja in produkte, kot pa same vzorce izražanja. Vstavljanje TE v promotor lahko povzroči izgubo ali spremembo njegove funkcije (z generiranjem majhne regulatorne RNA povzroči utišanje izražanja). Lahko pa poveča izražanje gena in stabilnost zapisa gena, kar vodi do daljše prevedenega proteina ali pa z ustvarjanjem siRNA posttranskripcijsko utiša gene. Vstavitev v intronske regije lahko povzroči spajanje zapisa ciljnega gena.
Zaključek
Transpozoni torej niso le odvečni del genoma. Dana raziskava predstavi vpogled v vpliv TE na kompleksen genom pšenice, ki je v večinski meri sestavljen iz njih. Odpira možnosti raziskav na področju strukturnega vpliva TE (predvsem vpliva na heterokromatin) in na področju regulacije genov. Z ugotovitvami o ohranjenosti razmerji transpozonov v različnih podgenmih, ohranjenosti raznolikosti družin transpozonov in izražanjem sosednjih genov pa raziskava spodbuja nadaljnja raziskovanja vpliva TE na genom te gospodarsko zelo pomembne vrste pšenice.
Viri in literatura
[1]: Feldman, Moshe, and Avraham A Levy. “Genome evolution due to allopolyploidization in wheat.” Genetics vol. 192,3 (2012): 763-74. doi:10.1534/genetics.112.146316
[2]: Avni, Raz et al. “Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication.” Science (New York, N.Y.) vol. 357,6346 (2017): 93-97. doi:10.1126/science.aan0032
[3]: Bariah, Inbar et al. “Where the Wild Things Are: Transposable Elements as Drivers of Structural and Functional Variations in the Wheat Genome.” Frontiers in plant science vol. 11 585515. 18 Sep. 2020, doi:10.3389/fpls.2020.585515
[4]: Wicker, Thomas et al. “Impact of transposable elements on genome structure and evolution in bread wheat.” Genome biology vol. 19,1 103. 17 Aug. 2018, doi:10.1186/s13059-018-1479-0
[5]: Negi, Pooja et al. “Moving through the Stressed Genome: Emerging Regulatory Roles for Transposons in Plant Stress Response.” Frontiers in plant science vol. 7 1448. 10 Oct. 2016, doi:10.3389/fpls.2016.01448
