Genetika rostlin
Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity
doc. RNDr. Jana Řepková, CSc.

Genomika rostlin

Koncem roku 1980 se objevuje pojem genomika; bylo to v době počátků sekvenování prvních genomů a jejich mapování. V oblasti mikroorganizmů postupuje sekvenování genomů rychle. V současné době je již osekvenováno 421 genomů bakteriálních, 3 virové a 31 genomů archeí (http://cmr.jcvi.org/tigr-scripts/CMR/CmrHomePage.cgi). Z eukaryot je osekvenováno 65 genomů, z toho jsou genomy vyšších rostlin – Arabidopsis thaliana r. 2000, Oryza sativa r. 2002, Populus trichocarpa r. 2006, Vitis vinifera r. 2007, Carica papaya r. 2008, Lotus japonicus r. 2008, Vigna radiata r. 2009, Glycine max r. 2009, Sorghum bicolor r. 2009, Zea mays r. 2009, Medicago truncatula r. 2009, Brachypodium distachyon r. 2010. Roku 1997 se vedle strukturní genomiky začala rozvíjet funkční genomika. Strukturní genomika se zabývá analýzou genomu výlučně s cílem získat úplné sekvence DNA určitého druhu. Funkční genomika vzniká jako systematická funkční analýza genomu určitého druhu a jejím úkolem je přiřazení funkce jednotlivým genům.

Klíčové projekty studia rostlinných genomů

Velikost genomu byla rozhodujícím důvodem pro zahájení sekvenování genomu Arabidopsis thaliana, po bakteriálních genomech a genomech prvních eukaryot (r. 1996 Saccharomyces cerevisiae, r. 1998 Caenorhabditis elegans) prvního rostlinného. Její genom je asi 25krát větší než genom bakterie E. coli, 10krát větší než genom kvasinky S. cerevisiae, porovnatelný s genomem živočišného modelového objektu octomilky D. melanogaster a asi 26krát menší než genom člověka.

V roce 1992 byla zahájena práce na projektu nazvaném „Long-Range Plane for the Multinational Cooperation Arabidopsis thaliana Genome Research Project“. Jeho cílem bylo prostřednictvím studia mutací, genových interakcí, klonování a sekvenování porozumět fyziologii, biochemii a procesům růstu a vývoje A. thaliana jako představitele kvetoucích rostlin. Vlastní sekvenování bylo zahájeno roku 1994 a koncem roku 2000 bylo dokončeno („The Arabidopsis Genome Initiative“). Na výzkumu se v rámci projektu podílelo čtyřicet světových laboratoří z Evropy, Japonska a USA. Podle výsledků tohoto projektu genom Arabidopsis obsahuje celkem 25 498 genů, které kódují 11 601 typů proteinů, z nichž 35 % je jedinečných. U produktů mnoha genů lze předpokládat určitou homologii s proteiny člověka a s proteiny C. elegans. Asi 20 % z těchto předpokládaných proteinů, pro které jsou k dispozici kompletní sekvence, vykazuje signifikantní homologii s proteiny jiných eukaryotických organizmů, což poukazuje na důležitou skutečnost zachování buněčných funkcí u eukaryot. Byla tak získána první kolekce všech genů kvetoucích rostlin.

Roku 2000 byl zahájen druhý klíčový projekt „The Arabidopsis 2010 program“ a společně s projektem „The plant genomics“ byl experimentálně zahájen přechod od strukturní genomiky rostlin ke genomice funkční a s přibývajícími poznatky u řady dalších rostlinných druhů byl vytvořen předpoklad pro rozvoj srovnávací genomiky rostlin. Základním nástrojem funkční genomiky se stala mutageneze. Při určování funkcí jednotlivých genů se využívají dva základní genetické přístupy, a to přístupy přímé a reverzní genetiky, po indukci mutací jak klasickými (chemomutageny, fyzikální) tak biologickými mutageny. Byly vytvořeny velké kolekce inzerčních i klasických mutantů.

Klíčovým projektem z hlediska poznání rostlinných genomů je i projekt „International Rice Genome Sequencing Project“ zabývající se sekvenováním genomu rýže, první jednoděložné rostliny a první obiloviny. Genom kulturní rýže představují dva ekotypy, japonica a indica; koncem roku 2002 byl genom ekotypu japonica odrůdy Nipponbare osekvenován ve vysoké kvalitě.

Nástroje studia rostlinných genů

Mutageneze

Klasická mutageneze

Herman Muller poprvé indukoval pomocí paprsků X mutaci u D. melanogaster roku 1927 a již v roce 1928 byla poprvé indukována mutace u rostlinného druhu Zea mays L. Lewisem Stadlerem. Mutace jako dědičné změny v primární struktuře DNA mohou být indukovány chemomutageny nebo fyzikálními mutageny a mutageneze patří k základním nástrojům studia funkcí genů.

U rostlin bylo publikováno poměrně málo mutací získaných fyzikálními mutageny. Je nutné využít takový druh ionizačního záření, který proniká do dostatečné hloubky. Hloubka pronikání do rostlinných pletiv je vysoká u paprsků γ, dále následuje rentgenové záření (paprsky X), neutrony a částice α, nejnižší je u částic β. V minulosti byla testována mutagenní schopnost více než tisíce sloučenin (chemomutageny). Pro praktické účely indukce mutací a mutačního šlechtění u rostlin je však jejich počet omezen. Nejúčinnější z nich je EMS (etylmetansulfonát), MNG (1-metyl-3-nitro-1-nitrózoguanidin), ENU (1-etyl-1-nitrózomočovina), MNU (1-metyl-1-nitrózomočovina), EI (etylenimin) a dES (dietylsulfát). Tyto látky alkylují DNA, způsobují tranzice párů bazí, obvykle GC za AT, vzhledem k chybnému párování O⁶-alkyl-G s T. Podobně O⁴-etyl-T má za následek tranzici TA za GC. Z hlediska indukce vysoké četnosti mutací u rostlin jsou z alkylačních činidel nejúčinnější N-nitrózosloučeniny. EMS u rostlin způsobuje primárně bodové mutace na různých místech genu, úplnou ztrátu genové funkce, změny v načasování exprese mRNA nebo změny v aktivitě proteinů. Metylnitrózomočovina má za následek plastidové, ale i jaderné mutace.

I při klasické mutagenezi, konkrétně chemomutagenezi, se od roku 2000 začal využívat přístup molekulární neboli reverzní genetiky prostřednictvím metodiky TILLING (angl. Targeting Induced Local Lesions In Genome), kdy je možné detekovat specifické záměny bazí na úrovni DNA a metoda je určena k identifikaci bodových mutací v konkrétních genech, ale i ke zjištění polymorfizmu mezi jednotlivými přírodními populacemi (tzv. Eco-TILLING). Metoda je založena na specifické amplifikaci pomocí polymerázové řetězové reakce a tvorbě heteroduplexů v místě polymorfizmu. Cílová místa heteroduplexu s chybným párováním bazí v důsledku jednonukleotidových polymorfizmů jsou štěpena endonuklázou CelI (izolovaná z celeru r. 1998) a jednotlivé fragmenty odpovídají místům polymorfizmu mezi sledovanými jedinci. Metoda vypracovaná pro A. thaliana je uplatňována i u kulturních druhů jako je kukuřice, pšenice a ječmen.

Inzerční mutageneze

Rozvoj identifikace funkcí rostlinných genů akceleroval po zavedení metodik inzerční mutageneze, kdy se k indukci mutací využívají tzv. biologické mutageny, což jsou sekvence cizorodé DNA, a to převážně T-DNA A. tumefaciens a transpozony. Cizí DNA je do genomu rostliny vnášena jako součást vektorů.

Základem byly odzbrojené vektory, tj. T-DNA, ze které jsou zachovány jen krajní sekvence 25 bp nezbytné pro začlenění do rostlinného genomu. Do nich se začleňují geny selektovatelné (NPT – kóduje enzym neomycin fosfotransferázu a rezistenci k antibiotiku kanamycinu, HPT – kóduje enzym hygromycin fosfotransferázu a rezistenci k antibiotiku hygromycinu, BAR – kóduje odolnost k herbicidu typu fosfinotricinu např. Basta) pro identifikaci transgenních rostlin a geny signální (GUS – kóduje enzym β-glukuronidázu, GFP – kóduje zelený fluorescenční protein, který přeměňuje dopadající modré světlo UV spektra ve světlo zelené), jejichž expresi je možné studovat. Nejvíce využívaný binární vektorový systém je způsob, při němž geny virulence Ti plazmidu a sekvence T-DNA jsou odděleny na samostatných plazmidech, protože bylo zjištěno, že úsek virulence a T-DNA nemusí být společně na jednom plazmidu. Tzv. mini Ti plazmid s hraničními sekvencemi T-DNA je díky své velikosti snadným objektem pro genetické manipulace. Klasický typ binárního vektoru je vhodný pro přenos několika málo genů současně. Velikost T-DNA vektoru je omezena asi na 10 kb. Pro přenos větších úseků DNA byl vytvořen nový typ binárního vektoru BIBAC (angl. binary BAC), umělý bakteriální chromozom, jehož součástí jsou selekční markery. Umožňuje přenos až 300 kb cizorodé DNA a využívá se při genetických modifikacích, kdy je potřeba do rostlinného genomu vnést více genů nebo při vnášení genů odolnosti k patogenům nebo abiotickým stresům vzhledem ke komplexnosti výsledného znaku. Jeho využití je také při komplementaci, kdy je potřeba vnést do genomu rostliny větší úsek DNA z genomové knihovny. Např. ke komplementaci genu FILAMENTOUS FLOWER u Arabidopsis byl využit vektor TAC.

V systému binárních vektorů část Ti plazmidu obsahující oblast vir produkuje faktory potřebné pro přenos T-DNA. Produkt genu virG je pozitivním transkripčním faktorem, který aktivuje expresi ostatních genů vir. Geny virD1 a virD3 (v komplexu s proteinem VirD2) svými produkty umožňují vytvoření zářezu v jednom řetězci T-DNA a na její volný 5´konec se váže protein VirD2. Dalším genem, jehož funkce byla objasněna, je gen virE2. Protein VirE2 se váže na jednořetězcovou DNA, která je přenášena do rostlinné buňky, a stabilizuje ji. Geny operonu virB kódují membránové proteiny, které umožňují transport z bakteriální do rostlinné buňky. Gen virF určuje specifitu hostitele.

Menší část původního Ti plazmidu nesoucí T-DNA, je schopna replikace jak v agrobakteriu, tak i v E. coli. Geny T-DNA mohou být nahrazovány rostlinnými selekčními markery, reportérovými geny a dalšími DNA elementy při použití E. coli jako hostitele. Takto vytvořený binární vektor je transformací nebo konjugací přenesen do agrobakteriálního kmene. Zatím jsou jen částečně známy procesy, které se uplatňují při integraci mezi buňkami bakteriálními a rostlinnými; pouze částečně je znám mechanizmus řídící začlenění T-DNA, a do ní začleněného genu, do rostlinné akceptorové buňky.

Již od konce 80. a začátku 90. let začaly být vytvářeny velké kolekce linií Arabidopsis transformované prostřednictvím A. tumefaciens a zpočátku byly vyhledávány mutantní fenotypy ve specifické dráze a sekvence začleněné T-DNA byla využita pro získání okolních rostlinných sekvencí, tedy sekvencí genu. Zpočátku se uplatňoval přístup přímé genetiky, tedy identifikace genů a funkční charakterizace začínající od identifikovaného mutantního fenotypu. Výsledkem prvních prací byla izolace genů kontrolujících tvorbu rostlinných hormonů, vývoj květů, ukládání vosku, vývoj trichomů nebo dobu do kvetení.

Po osekvenování genomu Arabidopsis byly velké kolekce inzerčních mutantů skrínovány s cílem identifikace zasažených genů, ale východiskem byly známé sekvence genů, což je typické pro přístup reverzní genetiky. První transformační protokoly zavedli Feldmann a Marks r. 1987; jednalo se o transformaci semen bakterií A. tumefaciens, kdy součástí protokolu byly explantátové kultury a regenerace rostlin in vitro. Efektivnější protokol transformace zavedli Bechtold a spolupracovníci r. 1993 a vypracovali metodu vakuové infiltrace, in planta transformace. Pletiva rostlin v začátku kvetení byla infiltrována kulturou agrobakteria, k selekci transformovaných rostlin byl nově využit gen pro resistenci k herbicidu Basta. K výhodám této metody patřila vyšší četnost transformace (1 až 4%) a vyloučení fáze kultivace a regenerace rostlin in vitro, což mohlo být zdrojem somaklonální variability. Zjistili, že samičí gametofyt je cílový pro začlenění inzertu během transformace (pravděpodobně i v práci Feldmanna a Markse z roku 1987 při transformaci semen).

V současné době se rozvíjí především reverzní skríning zahrnující tvorbu směsných vzorků DNA velkého počtu inzerčních mutantů pro identifikaci cílové sekvence genu polymerázovou řetězovou reakcí prostřednictvím specifických primerů. Nezbytným předpokladem pro široké využití a rozvoj tohoto přístupu byla tvorba velkých kolekcí T-DNA inzerčních mutantů. K největším patří kolekce SIGnAL (http://signal.salk.edu/cgi-bin/tdnaexpress) vytvořená na pozadí ekotypu Columbia. Semena inzerčních mutantů v generaci T₃ jsou k dispozici v semenné bance ABRC. Největší databáze SALK obsahuje asi 150 tisíc inzerčních linií na genetickém pozadí ekotypu Columbia průměrně po 1,5 inzertu na linii, to je celkem 225 tisíc inzercí. Pro 88 tisíc inzercí byla určena lokalizace v příslušném genu. Teoreticky je potřeba 180 tisíc nezávislých inzercí s 95% pravděpodobností detekce určité specifické inaktivované alely genu o velikosti 2,1 kb. Ale některé mutace jsou letální nebo vedou ke sterilitě v homozygotní konstituci. Proto je tato pravděpodobnost jen 80%. Doposud nebylo asi 2 200 genů zasaženo žádnou inzercí.

Pokrok byl zaznamenán i ve využívání různých typů konstruktů. První vektory byly nespecializované s vlastními promotory jednotlivých genů, které byly součástí vektorů. Později byly konstruovány vektory specializované, které umožnily detailnější zkoumání mutovaných genů. Pasivní vektory obsahovaly markerové geny bez promotorů nebo s minimálními promotory bez sekvencí umožňující normální vývojově regulovanou expresi, ale schopnými iniciovat transkripci. Pomocí těchto vektorů je možné sledovat fúze genů, transkripční i translační.

Past na geny – součástí konstruktu je reportérový gen bez promotoru, s intronem v zaváděcí sekvenci. Při začlenění do intronu rostlinného genu dojde k transkripční fúzi vlivem sestřihu.

Past na promotory – součástí konstruktu je bezpromotorový reportérový gen. Po začlenění inzertu do exonu rostlinného genu dojde k transkripční fúzi a aktivaci reportérové genu ze specifického promotoru. Expresi reportérového genu lze pozorovat ve specifických buňkách a pletivech (cévní svazky, svěrací buňky průduchů, endoplazmatické retikulum aj.).

Past na zesilovače – součástí konstruktu je reportérový gen s minimálním promotorem CaMV 35S. Funkce promotoru je zesílena v případě začlenění v blízkosti zesilovače a tím je zvýšena exprese reportérového genu na detekovatelnou úroveň. Při velké vzdálenosti mezi zesilovačem a inzertem zesilovač neidentifikujeme.

Určení funkce genu prostřednictvím inzerční mutageneze je často neúspěšné vzhledem k přítomnosti vícečlenných genových rodin a nepříbuzným proteinům s překrývajícími se funkcemi. Takové multigenní rodiny, přítomné jako kopie genů v klastrech nebo rozptýlené, jsou v genomu Arabidopsis četné. Proto byly konstruovány aktivní vektory s cílem aktivační mutageneze a indukce dominantních mutací. Těmito vektory bylo doposud získáno u Arabidopsis kolem 40 tisíc linií a plně charakterizováno asi 30 dominantních mutací.

Vektory pro homologní rekombinaci (gene targeting) umožňují takovou strategii inzerční mutageneze, při které jsou sledovány integrace transgenu nikoliv do libovolného genu, ale do genu, který je s ním homologický. K inaktivaci cílového genu dochází po homologní rekombinaci s vnášenou sekvencí konstruktu. U rostlin se tento přístup inzerční mutageneze využívá v menším rozsahu.

Součástí snah o saturaci celého rostlinného genomu inzercemi DNA je i tvorba linií RNAi a technik založených na umlčování specifických genů prostřednictvím RNA interference. Hlavním objektem je A. thaliana v rámci projektu AGRIKOLA (Arabidopsis Genomic RNA Interference Knock-Out Line Analysis). Základem projektu je kolekce 25 tisíc genově specifických sekvencí (GST, ang. Gene Specific tag) vytvořených konsorciem CATMA (Complete Arabidopsis Transcriptome Micro Array) pro A. thaliana. Jejich velkost je 150 až 500 bp a většinou jsou vytvořena pro cílové a jedinečné konzervativní sekvence exonů. Pomocí těchto GST bylo připraveno více než 20 tisíc specifických konstruktů a vloženo do vektoru navrženého pro posttranskripční umlčování genů mechanizmem RNAi. Sekvence GST je do konstruktů vkládána ve formě invertované repetice oddělené intronem.

Od poloviny 90. let začaly být při inzerční mutagenezi využívány transpozony kukuřice Ac a Ds, které mají větší tendenci pro transpozici do určitých cílových míst. Postupně byly získávány linie s integrací transpozonů do kódujících a regulačních sekvencí Arabidopsis a využívány při identifikaci funkcí genů. Obtížnější bylo získání inzercí rovnoměrně po celém genomu, ale to bylo odstraněno pomocí T-DNA agrobakteria, které vnáší transpozon. Jestliže se transpozon začlení v okolí cílového genu, dochází k saturaci oblasti inzercemi Ac/Ds. První gen izolovaný transpozonovou inzerční mutagenezí byl gen kukuřice bronze, klíčový enzym biosyntézy antokyanu.

Kromě systému transpozonů Ac/Ds jsou využívány při inzerční mutagenezi i další, jako je En a Spm (Enhancer a Supresor/Mutator, pro které je charakteristický větší rozsah sekundárních inzercí; z 5 původních inzertů dochází k postupné saturaci genomu inzercemi během 6 až 12 generací samosprášení rostlin po původní transformaci. Tak se získají linie s 5 až 20 inzerty. Pro získání inzercí ve všech genech (průměr 6 nezávislých inzercí na linii) by bylo potřeba celkem 16 tisíc linií.

Transpozonová inzerční mutageneze nezůstala omezena jen na druhy, u nichž se transpozony přirozeně vyskytují, ale využívá se i u druhů jako je tabák, rajče, Arabidopsis, petúnie, len, mrkev, brambor, sója nebo rýže. Inzerční mutageneze a přístupy reverzní genetiky byly výrazně urychleny klonováním rostlinných genů, především u Arabidopsis, jejíž genom byl jako první osekvenován. Do roku 2003 bylo klonováno 620 genů cestou inaktivace genů a v současné době je úplná funkční analýza provedena u 10 % genů Arabidopsis.

Spektrum mutací získaných inzerční mutagenezí je velmi široké. Jedním z nejčastějších typů mutací jsou embryonálně letální mutace (emb).

Funkční genomika a kulturní druhy

Pro současný výzkum rostlinných genomů je charakteristické prolínání základního a aplikovaného výzkumu. Úkolem základního výzkumu je identifikace funkcí všech rostlinných genů. Tyto poznatky se promítají do aplikovaného výzkumu snahou o jejich využití při zlepšování kulturních druhů.

Až osekvenováním genomu rýže byl vytvořen předpoklad pro aplikaci reverzní genetiky u tohoto druhu. Do té doby byly geny identifikovány především přístupem přímé genetiky. Předpokladem pro aplikaci metod přímé genetiky je existence populací segregujících ve sledovaném znaku, dostatečný počet DNA markerů, existence genomových knihoven nebo znalosti sekvencí pro kandidátní genomovou oblast a vhodný transformační systém. U rýže je k dispozici řada mutantů vzniklých spontánně i indukovaných paprsky γ a chemomutageny. Je známo 463 charakterizovaných mutací, z nichž 185 bylo lokalizováno na chromozomy pomocí morfologických markerů, později dalších 95 bylo mapováno DNA markery.

Pro přístupy reverzní genetiky jsou u rýže využívány tři biologické mutageny, a to transpozony kukuřice Ac/Ds, T-DNA A. tumefaciens a retrotranspozon Tos17. Existuje již přes tisíc linií rýže s elementem Ds, který je do jejího genomu vnášen prostřednictvím T-DNA. Jeon r. 2000 vytvořil 18 358 inzerčních linií T-DNA, což představuje celkem 25 tisíc zasažených genů. Endogenní retrotranspozon Tos17 byl původně přítomen ve dvou kopiích v genomu rýže odrůdy Nipponbare. K transpozici dochází ve stresových podmínkách, jakými je explantátová kultura nebo virová infekce, a to mělo za následek vytvoření 5 až 30 kopií během 3 až 5 týdnů kalusové fáze. Transpozice jsou udržovány v jednotlivých regenerovaných rostlinách a u potomstva jsou stabilní.

Kukuřice je dalším druhem, u kterého se rozvíjí funkční genomika. Co do velikosti genomu patří k druhům se středními genomy. U tohoto druhu se využívá transpozonová inzerční mutageneze se třemi typy transpozonů – Ac/Ds, En/I (synonymum Spm/dSpm) a Mu. V genomu kukuřice se vyskytují i čtyři rodiny retrotranspozonů – Huck, Ji, Opie a Zeon.

Genetické mapování a identifikace genů

Koncept genetických markerů založených na sekvencích DNA byl skutečně revolučním průlomem v možnostech konstrukce genetických map u jednotlivých rostlinných druhů, především kulturních, a stal se dalším významným nástrojem při studiu rostlinných genomů. Úplné nebo částečné sekvence genomů umožňují tvorbu obrovského počtu DNA markerů založených především na specifické amplifikaci známých sekvencí. Počty genetických markerů tak dosahují desítek tisíc. První genetická mapa RFLP markerů byla zkonstruována pro kukuřici a rajče roku 1986. Do roku 1990 byly ročně zkonstruovány tři mapy, od roku 1993 se počet zkonstruovaných map zvýšil na 30 ročně díky praktické aplikaci polymerázové řetězové reakce při tvorbě DNA markerů. V současné době jsou k dispozici genetické mapy DNA markerů pro více než 70 různých druhů. Ke druhům s nejvíce vysycenými mapami kromě Arabidopsis, rýže seté, rajčete jedlého, kukuřice seté a třtiny cukrové patří i ječmen, u něhož se v současné době podařilo sestavit integrovanou mapu se třemi tisíci genetických markerů.

Detekce DNA markerů v těsné vazbě s geny, které mají praktický význam ve šlechtění, umožňuje jejich využití při identifikaci genotypů s konkrétními alelami významných genů a tím i selekci rostlin na znaky determinovanými těmito geny. Navíc u řady významných kulturních druhů je v současné době přínosným a ověřeným způsobem identifikace nových rostlinných genů genetické mapování cílené na klonování genů na základě mapové pozice.

První klonovaný gen determinující rezistenci k patogenu byl v roce 1992 gen Hm1 kukuřice, který podmiňuje rezistenci k houbovému patogenu Cochliobolus carbonum, jeho rase 1. Gen kóduje NADPH-dependentní reduktázu, která inaktivuje potenciální rostlinný toxin produkovaný tímto kmenem patogena. Jako další byl klonován gen Pto rajčete, který podmiňuje rezistenci vůči Pseudomonas syringae pathovar tomato s genem avirulence avrPto. Rostlinný gen kóduje proteinkinázu serin-threoninového typu. Jiné klonované geny rezistence kódují proteiny, které obsahují motivy z repeticí bohatých na leucin (leucine rich repeat, LRR) a řadu dalších oligopeptidových domén, které se často vyskytují v R-proteinech.

Srovnávací genomika

Dvě hlavní skupiny kvetoucích rostlin – jednoděložné a dvouděložné se oddělily od společného předka asi před 135 až 200 miliony lety. Některé funkční a morfologické podobnosti zůstaly zřejmé i mezi odlišnými taxony. Již Vavilov r. 1922 poukázal v zákonu o homologních řadách na základní podobnosti různých rostlinných druhů na fenotypové úrovni. Lze očekávat, že i jejich genomy budou do určité míry podobné, samozřejmě s podstatnými vývojovými a metabolickými odlišnostmi. Za posledních 20 let nám molekulární genetika poskytla nástroje nezbytné pro studium podobností a odlišností na úrovni genetické informace u různých taxonů.

Molekulární markery jsou ve významném rozsahu využívány ke konstrukci genetických map jednotlivých rostlinných druhů. Tyto mapy podstatně rozšiřují naše poznatky o struktuře genomů i jejich evoluci. Porovnáním map příbuzných druhů můžeme vyhodnotit druh genomových změn, které doprovázejí vznik daného druhu. Úroveň konzervativního charakteru těchto map se značně liší u jednotlivých druhů. Studium uspořádání genů a lokusů na chromozomech se stalo náplní srovnávací genomiky rostlin u pěti čeledí – Brassicaceae, Poacea, Fabaceae, Malvaceae a Solanaceae. Nebyly vybrány náhodou, ale protože zahrnují ekonomicky nejvýznamnější druhy jako je brukev zelná Brassica oleracea L., řepka ladní B. rapa L., černohořčice setá B. nigra (L.) Koch a jejich hybridy brukev hořčičná B. juncea (L.) Czern., řepka setá B. napus L. a hořčice habešská B. carinata A. Braun. (Brassicaceae); kukuřice setá Zea mays L., pšenice setá Triticum aestivum L., rýže setá Oryza sativa L. (Poaceae); sója luštinatá Glycine max (L.) Merrill, čočka kuchyňská Lens esculenta Moench, fazol obecný Phaseolus vulgaris L., hrách setý Pisum sativum L., vojtěška setá Medicago sativa L. (Fabaceae); bavlník Gossypium hirsutum L. (Malvaceae); rajče jedlé Lycopersicon esculentum Mill., brambor obecný Solanum tuberosum L., tabák virginský Nicotiana tabacum L., paprika roční Capsicum annuum L. (Solanaceae). Dostáváme se tak k poznání genomů významných plodin, ale i k možnosti využití konkrétních rostlinných genů při zlepšení jejich znaků a vlastností prostřednictvím genetických modifikací.

Srovnávací genetické mapování a sekvenování genomů různých druhů odhalilo kolineární oblasti genomů a lze předpokládat, že i u vzdáleně příbuzných druhů může být konzervativní uspořádání genů zachováno. Je proto snaha využít poznatky o genomu jednoho druhu i u druhu jiného, blízce nebo i vzdáleně příbuzného, s méně prozkoumaným genomem. Důsledkem společných evolučních základů je makrokolinearita, tedy konzervativní uspořádání genů v určitých oblastech chromozomů v rozsahu mnoha Mb. Srovnávací mapování je založeno na analýze ortologních lokusů u různých rostlinných druhů. Ortologní lokusy jsou odvozeny přímo od společného (ancestrálního) předka. Srovnávací mapování je založeno na klonovaných sekvencích DNA, které se vyskytují na jednom nebo několika málo místech odpovídajících genomů sledovaných taxonů. Klasická metoda RFLP byla vhodná pro takové srovnávací mapování u rostlin. Pro získávání komparativních dat u rostlin významně napomohlo sestavování fyzických map rostlinných chromozomů pomocí knihoven DNA založených na umělých kvasinkových chromozomech (YAC) a především na umělých bakteriálních chromozomech (BAC).

Srovnáváním genomů B. oleracea a A. thaliana bylo identifikováno 57 % shodných lokusů. Genomy žita a pšenice se liší 13 chromozomálními aberacemi, ke kterým došlo během 6 milionů let v průběhu jejich divergence. Srovnávací mapování odhalilo blízké příbuzenské vztahy mezi čirokem a cukrovou třtinou. Genomy rajčete a bramboru se liší pouze pěti chromozomálními aberacemi typu paracentrických inverzí. Naopak genomy rajčete a papriky se liší ve větším rozsahu, a to alespoň 15 chromozomovými aberacemi. Srovnávací mapování se tak stalo zdrojem informací také o evolučních a příbuzenských vztazích. U papriky lze tak předpokládat odlišný evoluční původ v porovnání s ostatními druhy čeledě Solanaceae. Další příklady ukazují na možnost konzervativního uspořádání genů i mezi vzdáleně příbuznými taxony. V genomech jednoděložných a dvouděložných druhů zůstává 43 až 58 % úseků dlouhých 3 cM, které jsou kolineární. Takový typ kolinearity v rozsahu 5 až 10 cM nazýváme mikrokolinearita. Pro potvrzení tohoto zjištění byly použity stejné sondy DNA při mapování huseníčku, čiroku, bavlníku a brukve. Geny, které byly těsně vázané u huseníčku a brukve, byly také ve vazbě u čiroku a bavlníku.

On-line prezentace

Ke kapitolám Struktura rostlinného genomu a Genomika rostlin.