Accessing genetic variability in Spanish barleys through high-throughput sequencing

Abstract

L'ordi és un cultiu important a la regió mediterrània, caracteritzada per precipitacions escasses i irregulars. A la Península Ibèrica, ha estat conreat durant milers d'anys, permeten l’aparició d’adaptacions específiques a l’estrès. Aquestes característiques, presents en les varietats locals espanyoles, romanen sense ser explotades en la millora de cereals. La seqüenciació d'alt rendiment (HTS, per les sigles en anglès) ha revolucionat la investigació fent possible la seqüenciació dels genomes de múltiples organismes. El mapa físic de l'ordi, amb seqüències associades, va ser publicat a finals de 2012. Per treure partit d'aquests recursos, calia facilitar-ne l'accés a genetistes i milloradors. Aquest va ser l'objectiu que ens va portar a desenvolupar Barleymap, una eina informàtica que permet localitzar marcadors genètics en el genoma de l’ordi. Aquesta aplicació integra i localitza marcadors de diferents plataformes de genotipat d'ordi àmpliament utilitzades. Un altre avantatge de la HTS és que es poden dur a terme diferents tipus d'experiments amb diferents objectius d'investigació. Nosaltres fem servir la seqüenciació de l’exoma pel mapeig fi d'un QTL de resistència a l’oïdi d'una varietat local espanyola. A partir d'una gran població de mapeig, vam ser capaços de delimitar la posició del QTL a un contig físic. A més, vam poder identificar i ensamblar parcialment un gen candidat que s'expressa. Per aconseguir això, una sèrie aproximacions bioinformàtiques van ser aplicades per diferenciar la variació de presència-absència en un grup de gens de la família NBS-LRR. Una altra aplicació poderosa de la HTS és RNAseq, que permet seqüenciar transcriptomes complets, i dur a terme assajos d'expressió amb una resolució sense precedent. Ensamblem de novo els transcriptomes d'un cultivar d'ordi susceptible a sequera i d'una varietat local espanyola resistent. Comparem els canvis d'expressió, en fulles i inflorescències en desenvolupament d'ambdós genotips, sota tractaments de sequera. Es van revelar grans diferències en les seves respostes a estrès. La comparació amb altres treballs de sequera en ordi, i l'anàlisi dels factors de transcripció i elements reguladors implicats va proporcionar noves dades sobre la complexa xarxa d'expressió gènica d'ordi sota estrès. En resum, la HTS aporta moltes noves possibilitats. Per aprofitar-la totalment, s'ha de fomentar la col·laboració de bioinformàtics i genetistes, per adaptar els nous recursos genòmics a les necessitats específiques.

La cebada es un cultivo importante en la región mediterránea, caracterizada por escasas e irregulares precipitaciones. En la Península Ibérica, ha sido cultivada durante miles de años, surgiendo adaptaciones específicas a estrés. Estas características, presentes en las variedades locales españolas, permanecen sin ser explotadas en mejora. La secuenciación de alto rendimiento (HTS, por sus siglas en inglés) ha revolucionado la investigación. Ha hecho posible secuenciar los genomas de múltiples organismos. El mapa físico de cebada, con secuencias asociadas, fue publicado a finales de 2012. Para sacar partido de estos recursos, había que facilitar el acceso a dicho recurso a genetistas y mejoradores. Este fue el objetivo que nos llevó a desarrollar Barleymap, una herramienta informática que permite localizar marcadores genéticos en el genoma de cebada. La aplicación integra y localiza marcadores de distintas plataformas de genotipado de cebada ampliamente utilizadas. Otra ventaja de la HTS es que se pueden llevar a cabo distintos tipos de experimentos con distintos objetivos de investigación. Nosotros utilizamos la secuenciación del exoma para mapeo fino de un QTL de resistencia a oidio de una variedad local española. A partir de una gran población de mapeo, fuimos capaces de acotar la posición del QTL a un solo contig físico. Además, pudimos identificar, y ensamblar parcialmente, un gene candidato que se expresa. Para conseguir esto, una serie de enfoques bioinformáticos fueron aplicados para diferenciar variación de presencia-ausencia, en un grupo de genes relacionados de la familia NBS-LRR. Otra aplicación poderosa de la HTS es RNAseq, que permite secuenciar transcriptomas completos, y llevar a cabo ensayos de expresión con una resolución sin precedente. Ensamblamos de novo los transcriptomas de un cultivar de cebada susceptible a sequía y de una variedad local española resistente. Comparamos los cambios de expresión, en hojas e inflorescencias en desarrollo de ambos genotipos, bajo tratamientos de sequía. Se revelaron grandes diferencias en sus respuestas a estrés. La comparación con otros trabajos de sequía en cebada, y el análisis de los factores de transcripción y elementos reguladores implicados proporcionó nuevos datos sobre la compleja red de expresión génica de cebada bajo estrés. En resumen, la HTS trae muchas nuevas posibilidades. Para aprovecharla totalmente, se debe fomentar colaboración de bioinformáticos y genetistas, para adaptar los nuevos recursos genómicos a necesidades específicas.

Barley is an important crop in the Mediterranean region, characterized by scarce and irregular rainfalls. In the Iberian Peninsula, it has been cultivated for thousands of years, leading to specific adaptations to prevalent biotic and abiotic stresses. These features, present in Spanish barley landraces, remain to be exploited in breeding. High-throughput sequencing (HTS) has revolutionized plant research. It has made it possible to sequence the genomes of multiple organisms. The sequence-enriched physical map of barley was published in late 2012. A first step to exploit barley genomics, for practical purposes, was facilitating geneticists and breeders access to the barley physical map. This was the aim which led us to the development of Barleymap, a software tool which allows locating genetic markers in the barley physical-genetic map. This application effectively integrates and maps markers from different widely used barley genotyping platforms, and, in general, any marker with sequence information. Another advantage of HTS is that diverse experimental setups can be used with different research objectives. Here, we used exome sequencing to fine-map a powdery mildew resistance QTL from a Spanish barley landrace. Exploiting a large mapping population, we were able to narrow down the position of the QTL to a single physical contig. Moreover, we could identify, and partially assemble, an expressed candidate gene. To achieve this, an array of bioinformatics approaches was applied to differentiate presence-absence variation, within a cluster of closely related genes of the NBS-LRR family. Another powerful application of HTS is RNAseq, which allows sequencing whole transcriptomes, and gene expression assays can be performed with unprecedented power. We de novo assembled the transcriptomes of a drought susceptible elite barley cultivar and a drought resistant Spanish barley landrace. Then, we compared the expression changes, in leaves and developing inflorescences from both genotypes, under drought treatments. This revealed large differences in their responses to stress. A comparison with other drought gene expression studies on barley, and an analysis of transcription factors and cis¬-regulatory elements involved, provided new insights into the complex barley gene expression network under stress. In summary, HTS has brought many new possibilities to plant research. To take full advantage of it, crosstalk between bioinformatics and genetics must be fostered to adapt the new genomic resources to specific needs.