Растения и животные с большими геномами растут менее эффективно, но не вымирают

Все живые существа имеют чертеж, предоставленный ДНК, которая хранится в каждой из их клеток. Однако количество ДНК в каждой клетке — то, что мы называем размером генома — охватывает невероятный диапазон по всему древу жизни.

У животных он варьируется от крошечного генома червеобразного морского паразита Intoshia variabili, который в 200 раз меньше человеческого, до генома мраморной двоякодышащей рыбы (Protopterus aethiopicus), который, по оценкам, более чем в 40 раз больше нашего собственного. Растения демонстрируют схожие вариации, и один из них — вильчатый папоротник (Tmesipteris oblanceolata) — удерживает рекорд по самому большому геному, имея в каждой клетке в 50 раз больше ДНК, чем у человека.

Это изменение размера генома подчеркивает замечательное разнообразие жизни на Земле, но также ставит интригующий эволюционный вопрос. Меньшие геномы позволяют растениям и животным расти гораздо быстрее и эффективнее, так почему же некоторые виды имеют гораздо большие геномы?

Все живые организмы должны реплицировать свою ДНК для производства новых клеток, что является фундаментальным требованием для роста. Причина, по которой меньшие геномы более эффективны, заключается в том, что меньшее количество ДНК, необходимое для каждого деления клетки, приводит к более быстрому процессу репликации. Они также имеют меньшие потребности в питательных веществах, особенно в строительных блоках ДНК, таких как азот и фосфор.

Учитывая эти преимущества, возможно, неудивительно, что большинство видов имеют небольшие геномы. Однако существование больших геномов предполагает, что связанные с ростом издержки могут быть преодолены и даже могут обеспечить преимущества в определенных ситуациях.

Группа ученых недавно провела исследование потенциальных преимуществ наличия большего генома у видов злаковых. Злаки — это обширное и широко распространенное семейство растений: они встречаются на всех континентах и доминируют в открытых местообитаниях от арктической тундры до умеренных лугов и тропических саванн. Они также имеют разные размеры генома, поэтому являются идеальной группой для изучения того, предлагают ли большие геномы уникальные преимущества.

В исследовании, опубликованном в журнале New Phytologist, ученые изучили, как быстро растут различные виды трав в экспериментальных условиях, разработанных для воспроизведения того, что они испытывают в дикой природе, например, высокие температуры, низкое содержание питательных веществ в почве и засуха. Затем ученые объединили эти данные с информацией о размере генома каждого вида.

Ученые обнаружили, что хотя виды с небольшим геномом лучше себя проявляют в большинстве условий окружающей среды, были две ситуации, когда наличие большего генома, по-видимому, давало преимущества. В обоих случаях преимущества, вероятно, связаны с тем, что более крупные геномы имеют более крупные клетки для размещения дополнительной ДНК.

Первая ситуация была на плодородных почвах, где ресурсы, необходимые для репликации большого количества ДНК, легкодоступны. В то время как области с низким уровнем питательных веществ значительно замедляли рост трав с большими геномами, эти виды процветали, когда питательных веществ было много.

Клетка за клеткой, более крупные геномы могут производить больше биомассы, например, листьев, чем более мелкие геномы. В то время как это перевешивается требованиями репликации дополнительной ДНК в областях, где доступно меньше питательных веществ, в богатой питательными веществами среде эти виды с более крупным геномом могут расти быстрее и затмевать своих соседей с более мелкими геномами.

Вторая ситуация была там, где вегетационный период был более прохладным, например, в умеренных регионах. Чтобы объяснить это, важно понимать, что рост растений происходит в два основных этапа.

Первая стадия — это деление клеток, при котором создаются новые клетки. Это происходит в определенных областях растения, называемых апикальными меристемами, которые расположены на кончиках побегов и корней, а также в основаниях листьев. Вторая стадия — это расширение клеток, при котором новые клетки набухают от воды, заставляя лист, побег или корень удлиняться.

Низкие температуры значительно замедляют деление клеток, что означает, что новые клетки производятся медленнее. Однако расширение клеток меньше зависит от низких температур. Это означает, что даже в холодную погоду большие клетки, содержащие большие геномы, могут расти за счет расширения клеток быстрее, чем маленькие клетки, способствуя быстрому росту растений.

Расширение клеток является основным механизмом, управляющим ранним весенним ростом луковиц, таких как нарциссы и колокольчики (которые также имеют большие геномы). Они уже претерпели деление клеток предыдущим теплым летом, и холод не подавляет расширение клеток таким же образом.

Для этих растений ранний весенний рост за счет расширения клеток дает им фору, прежде чем виды с меньшим геномом начнут расти и конкурировать за ресурсы. То же самое, вероятно, относится и к многолетним травам, что объясняет, почему большинство трав с большим геномом встречаются в более холодных условиях.

Итак, в то время как виды с меньшими геномами, как правило, лучше всего подходят для наиболее эффективного роста, как малые, так и большие геномы предлагают преимущества роста в зависимости от окружающей среды. Тот факт, что травы имеют разные размеры генома, вероятно, является одной из причин, по которой они процветают во всем мире, подчеркивая роль генетического разнообразия в выживании и успехе жизни на Земле.

Роль, которую наш собственный геном среднего размера сыграл в нашем глобальном успехе как вида, неясна. Однако наша способность перемещаться, чтобы получить необходимые нам ресурсы, в отличие от трав, которые были изучены, предполагает, что затраты на питательные вещества, связанные с наличием более крупного генома, могут быть покрыты легче.