グリホサート耐性Amaranthus palmeriのEPSPS遺伝子を取り巻くユニークなゲノム景観：耐性への反復経路

背景：除草剤耐性雑草種の拡大数と世界的な分布は、食物、燃料、繊維、生物生物の持続可能性と農業システムの寿命を脅かしています。最も競争力のある雑草の中で、Amaranthus Palmeri S. Watsは、ゲノム全体の5エノールピルビルシキメート-3-リン酸シンターゼ（EPSPS）遺伝子の大規模な増幅と挿入により、主にグリホサートに対する耐性を急速に進化させました。EPSPS遺伝子コピー数の増加は、グリホサートの標的であるEPSPS酵素の力価が高く、グリホサート治療に対する耐性を付与します。EPSPS遺伝子コピー数の増殖のゲノム単位とメカニズムを理解するために、EPSPS遺伝子に隣接する局所ゲノム景観を配列するために、非常に耐性のあるバイオタイプから細菌の人工染色体（BAC）ライブラリーを開発および使用しました。 結果：オーバーラップBACSをシーケンスすることにより、297 kBのシーケンスが生成され、以下「EPSPSカセット」と呼ばれました。この領域には、いくつかの推定遺伝子、タンデムおよび逆繰り返される繰り返しの密なクラスター、推定ヘリトロンと自律的な複製シーケンス、および調節要素が含まれていました。グリホサートに対する耐性が高く、耐性がないことを示す2つのバイオタイプの全ゲノムショットガンシーケンス（WGS）を実施して、EPSPSカセット全体のゲノム表現を比較しました。参照EPSPSカセットへの両方のバイオタイプのシーケンスのマッピングにより、これらのバイオタイプ間の反復ユニットとコーディング含有量の両方に関して、EPSPと比較して上流および下流のシーケンスの有意差が明らかになりました。シーケンスの違いは、繰り返し転位イベントなどの複合構築メカニズムに起因する可能性があります。推定ヘリトロン配列とカセットの関連は、増幅および分布メカニズムの可能性を示唆しています。フローサイトメトリーは、EPSPSカセットが測定可能なゲノム含有量を追加したことを明らかにしました。 結論：トウモロコシ、大豆、綿、キャノーラなどの主要作物におけるグリホサート耐性作物システムの採用とグリホサート除草剤の過剰な使用は、いくつかの重要な雑草におけるグリホサート耐性の進化につながりました。Amaranthus Palmeriでは、複雑な繰り返し要素と推定ヘリトロン配列を特徴とするEPSPSカセットの増幅は、ゲノムの周囲の増幅と分布を駆動する適応的な構造ゲノムメカニズムを示唆しています。グリホサートに敏感な植物には見られない追加されたゲノム含有量は、ゲノムの拡大を通じて進化を促進している可能性があります。

BACKGROUND: The expanding number and global distributions of herbicide resistant weedy species threaten food, fuel, fiber and bioproduct sustainability and agroecosystem longevity. Amongst the most competitive weeds, Amaranthus palmeri S. Wats has rapidly evolved resistance to glyphosate primarily through massive amplification and insertion of the 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) gene across the genome. Increased EPSPS gene copy numbers results in higher titers of the EPSPS enzyme, the target of glyphosate, and confers resistance to glyphosate treatment. To understand the genomic unit and mechanism of EPSPS gene copy number proliferation, we developed and used a bacterial artificial chromosome (BAC) library from a highly resistant biotype to sequence the local genomic landscape flanking the EPSPS gene. RESULTS: By sequencing overlapping BACs, a 297 kb sequence was generated, hereafter referred to as the "EPSPS cassette." This region included several putative genes, dense clusters of tandem and inverted repeats, putative helitron and autonomous replication sequences, and regulatory elements. Whole genome shotgun sequencing (WGS) of two biotypes exhibiting high and no resistance to glyphosate was performed to compare genomic representation across the EPSPS cassette. Mapping of sequences for both biotypes to the reference EPSPS cassette revealed significant differences in upstream and downstream sequences relative to EPSPS with regard to both repetitive units and coding content between these biotypes. The differences in sequence may have resulted from a compounded-building mechanism such as repetitive transpositional events. The association of putative helitron sequences with the cassette suggests a possible amplification and distribution mechanism. Flow cytometry revealed that the EPSPS cassette added measurable genomic content. CONCLUSIONS: The adoption of glyphosate resistant cropping systems in major crops such as corn, soybean, cotton and canola coupled with excessive use of glyphosate herbicide has led to evolved glyphosate resistance in several important weeds. In Amaranthus palmeri, the amplification of the EPSPS cassette, characterized by a complex array of repetitive elements and putative helitron sequences, suggests an adaptive structural genomic mechanism that drives amplification and distribution around the genome. The added genomic content not found in glyphosate sensitive plants may be driving evolution through genome expansion.