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First detailed decoding of complex finger millet genome
Komplexes Genom der Fingerhirse erstmals entschlüsselt
Zurich, Switzerland
September 5, 2017
Finger millet has two important properties: The grain is rich in important minerals and resistant towards drought and heat. Thanks to a novel combination of state-of-the-art technologies, researchers at the University of Zurich were able to decode the large and extremely complex genome of finger millet in high quality for the first time. This represents a fundamental basis for improving food security in countries like India and parts of Africa.
 The sequenced finger millet genome is a central basis for improving food security in countries such as India. (Image: Mathi Thumilan Balachadran)
For many poor farmers in India and Africa, finger millet is a major staple food. The crop species is not only a rich source of minerals like calcium, iron, magnesium and zinc, and it contains many vitamins and essential amino acids. The plant is also characterized by its resistance to drought and heat. As it is very healthy and gluten-free, it is finding increased use as a food in industrial countries as well. Despite its importance, finger millet has been given very little scientific attention until now.
Large and complex genome due to fusion of two plant species
Finger millet arose through the hybridization of two different plant species. The plant is therefore polyploid, which means it has a four-fold set of chromosomes and almost twice as many genes as its original species. The size and complexity of the genome are thought to have conferred the broad environmental tolerance of finger millet, while making genome research extremely difficult. For the first time, an international team of researchers from the University of Zurich has now managed to decode the complex genome of finger millet in great detail. It comprises about 2.6 million base pairs and has more than 62,300 genes – about twice as many as rice, for example.
New strategy for genome sequencing and mapping
A good 57,900 finger millet genes – over 90 percent – occur in more than two copies. As their DNA sequences are very similar, it was difficult to correctly allocate the numerous, decoded DNA sections within the entire genome. In cooperation with Ralph Schlapbach and Sirisha Aluri from the Functional Genomics Center at the University of Zurich and ETH Zurich, the team headed up by Kentaro Shimizu, professor at the UZH Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies, has managed to overcome these difficulties. For this purpose, the scientists combined a sophisticated bioinformatics strategy developed by Masaomi Hatakeyama that uses state-of-the-art sequencing methods with a new technology that can optically map the long, individual DNA molecules in the genome. “Our newly developed strategy will help sequence the genome of other polyploid cultivated plants that have not been able to be determined until now,” Shimizu says.
Improving the supply of nutrients and drought resistance
An interdisciplinary team of researchers from Zurich and Bangalore, India, worked together on this project. The work was supported by Indo-Swiss Collaboration in Biotechnology (ISCB), a bilateral research and development program financed by the Swiss and Indian governments, as well as by the Japan Science and Technology Agency. The objective is to improve food security and to develop the capacity of biotechnological research in India. “The newly available genome data of finger millet opens up numerous possibilities for modern plant breeding,” Shimizu emphasizes. “On the one hand, to help people with mineral deficiencies in India and in industrialized countries and, on the other hand, to make important crop plants more resistant to drought and aridness.”
Literature:
Masaomi Hatakeyama, Sirisha Aluri, Mathi Thumilan Balachadran, Sajeevan Radha Sivarajan, Andrea Patrignani, Simon Grüter, Lucy Poveda, Rie Shimizu-Inatsugi, John Baeten, Kees-Jan Francoijs, Karaba N. Nataraja, Yellodu A. Nanja Reddy, Shamprasad Phadnis, Ramapura L. Ravikumar, Ralph Schlapbach, Sheshshayee M. Sreeman and Kentaro K. Shimizu. Multiple hybrid de novo genome assembly of finger millet, an orphan allotetraploid crop. DNA Research. 5 September 2017. DOI: 10.1093/dnares/dsx036
Komplexes Genom der Fingerhirse erstmals entschlüsselt
Fingerhirse verfügt über zwei wichtige Eigenschaften: Die Getreideart ist reich an wichtigen Mineralstoffen und resistent gegenüber Trockenheit und Hitze. Dank einer neuartigen Kombination modernster Technologien konnten Forschende der Universität Zürich das grosse und sehr komplexe Genom der Fingerhirse erstmals in hoher Qualität entschlüsseln. Eine zentrale Grundlage, um die Ernährungssicherheit in Ländern wie Indien und Regionen Afrikas zu verbessern.
Für viele arme Bauern in Indien und Afrika ist die Fingerhirse ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Die Getreideart ist nicht nur eine reichhaltige Quelle von Mineralstoffen wie Calcium, Eisen, Magnesium und Zink und enthält viele Vitaminen und essentielle Aminosäuren. Die Kulturpflanze zeichnet sich auch aus durch ihre Resistenz gegenüber Trockenheit und Hitze. Da sie sehr gesund und zudem glutenfrei ist, wird sie zunehmend auch in Industrieländern als Lebensmittel verwendet. Trotz ihrer Wichtigkeit hat Fingerhirse wissenschaftlich bisher nur sehr wenig Beachtung gefunden.
Grosses und komplexes Genom durch Fusion zweier Pflanzenarten
Fingerhirse ist durch die Verschmelzung von zwei verschiedenen Pflanzenarten entstanden. Die Pflanze ist daher polyploid, das heisst sie verfügt über einen vierfachen Satz an Chromosomen und besitzt nahezu doppelt so viele Gene wie ihre Ursprungsarten. Die Grösse und Komplexität ihres Genoms verleiht der Fingerhirse ihre Widerstandsfähigkeit. Gleichzeitig hat dies die Genomforschung enorm erschwert. Nun hat es ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Zürich erstmals geschafft, das komplexe Genom der Fingerhirse in hoher Qualität zu entschlüsseln. Es umfasst rund 2,6 Milliarden Basenpaare und besitzt mehr als 62'300 Gene – rund doppelt so viele wie beispielsweise Reis.
Neue Strategie zur Genom-Sequenzierung und -Kartierung
Gut 57'900 Fingerhirse-Gene – mehr als 90 Prozent – kommen in mehr als zwei Kopien vor. Da deren DNA-Sequenzen sehr ähnlich sind, war es schwierig, die zahlreichen entschlüsselten DNA-Abschnitte im gesamten Genom korrekt anzuordnen. Es gelang dem Team um Kentaro Shimizu, Professor am UZH-Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften, in Zusammenarbeit mit Ralph Schlapbach and Sirisha Aluri vom Functional Genomics Center der Universität und ETH Zürich diese Schwierigkeiten zu überwinden. Dazu kombinierten die Wissenschaftler eine ausgeklügelte, von Masaomi Hatakeyama entwickelte Bioinformatikstrategie mit den modernsten Sequenzierungsmethoden sowie einer neuen Technologie, dank der sich lange einzelne DNA-Moleküle im Genom optisch kartieren lassen. «Unsere neu entwickelte Strategie wird helfen, das Genom von weiteren polyploiden Kulturpflanzen zu bestimmen, die sich bisher nicht ermitteln liessen», sagt Shimizu.
Nährstoffversorgung und Trockenheitsresistenz verbessern
In diesem Projekt arbeitete ein interdisziplinäres Team von Forschenden aus Zürich und dem indischen Bangalore zusammen. Unterstützt wurde die Arbeit von der Indo-Swiss Collaboration in Biotechnology (ISCB), einem bilateralen Forschungs- und Entwicklungsprogramm, das von den Regierungen der Schweiz und Indien sowie der Japan Science and Technology Agency finanziert wird. Ziel ist es, in Indien die Ernährungssicherheit zu verbessern und die Entwicklung der biotechnologischen Forschung zu unterstützen. «Die nun vorliegenden Genomdaten der Fingerhirse eröffnen zahlreiche Möglichkeiten für die moderne Pflanzenzucht. Einerseits, um den Mineralstoffmangel vieler Menschen in Indien aber auch in industrialisierten Ländern zu bekämpfen, und andererseits, um wichtige Kulturpflanzen widerstandsfähiger gegenüber Trockenheit und Dürre zu machen», betont Shimizu.
Literatur:
Masaomi Hatakeyama, Sirisha Aluri, Mathi Thumilan Balachadran, Sajeevan Radha Sivarajan, Andrea Patrignani, Simon Grüter, Lucy Poveda, Rie Shimizu-Inatsugi, John Baeten, Kees-Jan Francoijs, Karaba N. Nataraja, Yellodu A. Nanja Reddy, Shamprasad Phadnis, Ramapura L. Ravikumar, Ralph Schlapbach, Sheshshayee M. Sreeman and Kentaro K. Shimizu. Multiple hybrid de novo genome assembly of finger millet, an orphan allotetraploid crop. DNA Research. 5 September 2017. DOI: 10.1093/dnares/dsx036
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Website: http://www.uzh.ch/index.html Published: September 5, 2017 |
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