自2011年以來，一種被稱為黃冠病綜合癥(YCS)的神秘疾病折磨著澳大利亞的甘蔗。這種情況導致其他健康植物的中冠葉片迅速變黃，達到植物糖產(chǎn)量可降低多達30%的程度。近年來，該綜合癥已蔓延到整個大陸。損失估計約為4,000萬美元，種植者擔心這可能會破壞澳大利亞的產(chǎn)業(yè)。

德克薩斯大學泰勒分校(UT泰勒)生物學助理教授，研究人員團隊成員Kate Hertweck說：“在項目開始時，有很多可能性，但很少有證據(jù)表明原因。”這種疾病的原因。“這可能是由土壤中的水分或養(yǎng)分引起的生理反應?；蛘咚赡苁且环N生物學原因，如昆蟲，病毒或真菌。”

雖然一些研究人員使用現(xiàn)場實驗和顯微鏡來研究這種疾病，但Hertweck及其來自澳大利亞Sugar Research和昆士蘭大學的合作者正在尋求一種基因組方法，使用新一代RNA測序來比較和分析來自受影響和未受影響植物的遺傳數(shù)據(jù)。三年時間跨度不同的領域。

“甘蔗是一種重要的農(nóng)業(yè)作物，”Sugar Research Australia的高級技師Kate Wathen-Dunn說。“它還具有已知最復雜的遺傳學之一，每個染色體有多個和可變數(shù)目。”

部分由于其復雜性，甘蔗之前沒有參考基因組可用作研究人員的比較起點，因此Hertweck和Wathen-Dunn開始創(chuàng)建一個，專門用于植物的轉錄組：由表達的信使RNA分子生物體的基因，決定植物將產(chǎn)生什么蛋白質(zhì)。

“通過這個轉錄組參考，我們可以比較黃冠層綜合征和不同時間從不同品種和不同生長區(qū)域采集的對照樣品，”Wathen-Dunn說。“由于涉及的數(shù)據(jù)量巨大，進行此組裝的唯一方法是在高性能計算集群上。”

Hertweck和她的團隊轉向位于德克薩斯大學奧斯汀分校的德克薩斯高級計算中心(TACC)的超級計算機，進行大規(guī)模調(diào)查。TACC運行著世界上幾個最大的超級計算機，每年為數(shù)千名美國研究人員提供支持。

轉錄組裝配采用已經(jīng)片段化和測序的RNA分子，并將它們按順序排列。這個過程總是計算密集型，但是當有許多樣本時 - 就像甘蔗研究一樣 - 它可能特別難以處理。該團隊從70個葉子樣本中收集RNA序列數(shù)據(jù)，并使用多個算法和多個子序列來創(chuàng)建從頭組裝。

“即使是壓縮形式，轉錄組裝配的文件大小也是巨大的，”Hertweck說。“我開始意識到我需要比現(xiàn)有的更大的計算資源。”

他們創(chuàng)建的參考轉錄組允許團隊探索不同樣品如何表達不同的蛋白質(zhì)，這為YCS的根本原因提供了線索。

到目前為止，Hertweck和她的團隊已經(jīng)對一部分數(shù)據(jù)進行了初步差異基因分析，并使用這些程序集來評估可能導致疾病的各種假設。

“如果它是細菌，那么就有可能表達的基因。如果是病毒，可能會表達不同的基因，”她說。“我們發(fā)現(xiàn)了一些可能是細菌跡象的差異，但這些差異有時也與實驗室污染物有關。”

進一步的研究將確定基因表達是否與疾病的真正原因有關或是否是錯誤的信號。

他們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了幾個物理(或非生物)壓力信號，需要進一步調(diào)查。

“非生物脅迫在癥狀表達中非常重要，受YCS影響的甘蔗植物似乎對這些脅迫更敏感，”Wathen-Dunn說。“TACC提供的精彩計算資源使我們能夠繼續(xù)研究YCS的原因，并對甘蔗的新陳代謝做出新的發(fā)現(xiàn)。”

Hertweck和Wathen-Dunn在2016年進化會議上展示了他們的研究成果- 進化研究學會，系統(tǒng)生物學家協(xié)會和美國自然主義者協(xié)會聯(lián)合年會。這項工作還在2016年澳大利亞生物信息學和計算生物學學會(AB3ACBS)會議上進行了介紹。

他們將在11月舉行的2017年國際熱帶農(nóng)業(yè)大會上展示他們的最新成果。

使用TACC資源深入研究甘蔗轉錄組的能力給Wathen-Dunn的澳大利亞合作者留下了深刻的印象。

“他們認為我們擁有可以管理所有這些的電腦真是太棒了，”她說。“它鼓勵他們讓一些員工接受培訓，以便與高性能計算資源進行互動。”

TACC系統(tǒng)的研究與教學

當Hertweck在UT泰勒申請她的教職時，他首先了解了TACC。招聘信息提到，研究人員將能夠通過德克薩斯大學研究網(wǎng)絡基礎設施(UTRC)計劃使用TACC系統(tǒng)，自2007年以來，該計劃為德克薩斯大學系統(tǒng)的14所院校的研究人員提供了獲取TACC資源，專業(yè)知識和訓練。

Hertweck于2015年參加了TACC暑期學院，并使用了TACC的先進計算資源，包括Stampede和Lonestar 5，用于草，百合，鳶尾，蘭花和果蠅基因組的基因組研究。

赫特韋克說：“像我這樣的小型地區(qū)性大學能夠吸引優(yōu)秀候選人的部分斗爭是，我們在校園里沒有當?shù)氐募骸?rdquo;輕松訪問TACC資源可解決該問題。

“人們對這類資源抱有巨大的需求。人們對能夠利用它非常感興趣，”她說。“我的工作是希望帶來一個可以利用這些資源并為其他研究人員打開大門的人。”

赫特威克就是這樣做的。除了自己的研究，Hertweck還是她的同事中的高性能計算的冠軍，并使用TACC的Jetstream云計算系統(tǒng)向本科生和研究生教授生物信息學課程。在她的課程中，學生探索正在研究的細菌的序列數(shù)據(jù)，以用于未來的生物燃料應用和其他遺傳上有趣的物種。

“全班畢業(yè)生和本科生對TACC系統(tǒng)進行基本分析。他們進行裝配和基本分析，看看序列顯示的是什么，”Hertweck說。“他們對分析新數(shù)據(jù)和找到很酷的東西的能力感到非常興奮。我告訴他們：'你將獲得一份以前從未見過的信息。'”

幫助研究人員和學生發(fā)現(xiàn)大自然的新方面 - 這正是TACC系統(tǒng)的基礎。