آنالیز مقایسه ای ژنومی درختان صنعتی و تندرشد صنوبر و اکالیپتوس

مقدمه و هدف: شناسایی تشابهات ژنتیکی و ارتولوژی ژنی بین گونه های مختلف درختی می تواند در درک تکامل ژنوم، به نژادی و حفاظت گونه ها کاربرد داشته باشد. دانش زیادی در مورد عملکرد ژنوم درختان جنگلی از طریق بررسی­های ژنومیکس مقایسه ای قابل استخراج است. تاکنون، گونه های گیاهی دارای اهمیت اقتصادی مختلفی در این زمینه به خوبی مورد پژوهش قرار گرفته اند، اما ژنومیکس مقایسه ای درختان جنگلی کمتر بررسی شده اند. به­نظر می رسد بررسی­های جامعی برای مقایسه ژنومی بین درختان صنعتی و تندرشد صنوبر (Populus trichocarpa) و اکالیپتوس (Eucalyptus grandis) متعلق به جد مشترک و کلاد گل سرخ داران (Rosids) کمتر انجام شده است؛ به ویژه با توجه به این که این دو گونه گیاهی مدل بوده و داده های زیستی آنها به روزرسانی می شود. هدف از انجام این پژوهش، ارزیابی مقایسه ای توالی کامل ژنوم درختان صنعتی اکالیپتوس و صنوبر از نظر ویژگی­های ژنومی مهم مانند اندازه ژنوم، تعداد کروموزوم، محتوای ژنی، نشانگرهای ریزماهواره، تعداد ژن های خانواده ژنی ترپن سنتاز و شناسایی ژن های مرتبط با دو صفت مهم و مورد توجه به نژادگران درختان جنگلی، شامل صفات تشکیل چوب و کیفیت دیواره سلولی است.مواد و روش ها: در این پژوهش، از دو فایل مربوط به توالی یابی کل ژنوم اکالیپتوس با شماره دسترسی مرکز ملی اطلاعات فناوری زیستی آمریکا (NCBI)  GCF-۰۱۶۵۴۵۸۲۵.۱ و صنوبر با شماره دسترسی GCF-۰۰۰۰۰۲۷۷۵.۵ استفاده شد. هر دو گونه گیاهی جزو گیاهان مدل ژنتیکی بوده و ژنوم آن ها در سطح کروموزوم سرهم بندی شده بود. در این پژوهش، به بررسی برخی مشخصات ژنومی مانند اندازه ژنوم، تعداد کروموزوم، محتوای کلیGC، تعداد کل ژن ها، ژن های رمزکننده پروتئین،RNA  های کوچک غیررمزکننده (SncRNA) و ژن های کاذب دو گونه تندرشد صنوبر و اکالیپتوس پرداخته شده و نمودار ون رسم شد. همچنین، توالی های ریزماهواره ای با نرم افزار MISA در زبان برنامه نویسی Perl و توالی های مربوط به تکثیر پشت سرهم موجود بر روی ژنوم های دو گونه فوق استخراج شد.یافته ها: نتایج این پژوهش نشان داد اندازه ژنوم اکالیپتوس نسبت به صنوبر، بزرگتر و دارای ۴۲۶۱۹ ژن است که از این میان، ۳۳۳۵۲ ژن رمزکننده پروتئین در سراسر ژنوم وجود داشت. ژنوم صنوبر نیز واجد ۳۴۶۲۱ ژن بوده که ۲۹۶۱۷ ژن، رمزکننده پروتئین بوده است. علاوه بر آن، تعداد ژن های کاذب در ژنوم اکالیپتوس ۹/۲ برابر صنوبر بود. تعداد کروموزم های اکالیپتوس ۱۱ و تعداد کروموزوم های صنوبر ۱۹ عدد شمارش شده است. تعداد RNAs کوچک برای ژنوم اکالیپتوس و صنوبر به ترتیب ۱۵۰۷ و ۱۳۴۷ بود. بر اساس اطلاعات حاشیه­نویسی ژنوم موجود در سایت NCBI، برخی از ژن ها فقط در درخت اکالیپتوس و برخی از ژن ها فقط در درخت صنوبر یافت شدند. مطابق نمودار ون، ۱۴۴۸۴ ژن منحصر به­ فرد برای اکالیپتوس و ۱۲۱۱۴ ژن مخصوص گونه صنوبر شناسایی شد. ۹۱۳۳ ژن نیز مشترک بین دو گونه بوده است. تعداد کل نشانگرهای ریزماهواره شناسایی شده بر روی ژنوم اکالیپتوس ۱۳۶۱۴۷ عدد و برای ژنوم صنوبر ۷۷۰۲۴ عدد بود. نتایج به­دست آمده نشان می دهد که ژنوم های اکالیپتوس و صنوبر به ترتیب از Mb ۸/۳ و Mb ۲/۱۰ توالی های ریزماهواره­ای تشکیل شده است. جالب توجه است که تعداد و تراکم نشانگرهای ریزماهواره شناسایی­شده در ژنوم اکالیپتوس به ترتیب ۸/۱ و ۲/۱ برابر صنوبر بود. لازم به ذکر است به تعداد ۴۰۶۷ نوع موتیف در اکالیپتوس و ۲۸۹۸ نوع موتیف در ژنوم صنوبر شناسایی شد. از دیگر نتایج این پژوهش می توان به وجود ارتباط عکس میان فراوانی ریزماهواره ها و تعداد توکلئوتیدها در میان توالی های ژنومی گونه های گیاهی مورد پژوهش اشاره کرد. به طوری که با افزایش فراوانی ریزماهواره ها، کاهش قابل توجهی در تعداد نوکلئوتیدها مشاهده شد. بر این اساس، ریزماهواره های تک و دو نوکلئوتیدی دارای بیشترین فراوانی بوده، درحالی که ریزماهواره های هشت و نه نوکلئوتیدی، کمترین فراوانی را داشتند. نتایج حاصل از ارزیابی انجام­شده در خصوص بررسی تفاوت حضور خانواده ژنی ترپن سنتاز در دو گونه گیاهی مورد پژوهش نیز حاکی از آن بوده است که در اکالیپتوس، ۱۱۲ ژن و در صنوبر ۷ ژن از خانواده ژنی فوق وجود دارد. تعداد خوشه یا همان تعداد مناطق گسترش­یافته پشت سرهم در ژنوم گونه اکالیپتوس ۳۱۸۵ عدد و برای گونه صنوبر ۲۵۷۵ عدد شناسایی شد. تعداد کل ژن های پشت سرهم حفظ­شده در ژنوم اکالیپتوس به اندازه ۱۶ درصد بیشتر از ژنوم صنوبر بود. تعداد ژن های عملکردی و غیرعملکردی اکالیپتوس نیز بزرگتر از صنوبر بود. در تعداد زیادی از ژن های مرتبط با صفت مهم تشکیل چوب در دو درخت مورد پژوهش، رویداد پیرایش جایگزین با الگوهای مختلف رخ داد. در مجموع، به تعداد ۵۹ ژن کاندید برای صفت مهم کیفیت دیواره سلولی برای دو گونه صنوبر و اکالیپتوس شناسایی شد.نتیجه گیری کلی: ژنومیکس مقایسه ای می تواند با در اختیار قرار دادن آلل های متنوع مرتبط با صفات مهم اقتصادی و اکولوژیکی، فرایند اصلاح نژاد گونه های درختی را سرعت بخشیده و همچنین، به حفظ گونه هایی که از نظر ژنتیکی متمایز و در معرض خطر انقراض هستند، کمک کند.

کلیدواژه ها:

اندازه ژنوم ، تکامل ژنوم ، توالی یابی کل ژنوم ، ریزماهواره