Удвоение геномов могло помочь растениям пережить массовые вымирания

Фото из открытых источников

Дополнительные копии генетических инструкций, возможно, помогли цветковым растениям пережить массовые вымирания, включая катастрофу, уничтожившую динозавров. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Cell.

Новые открытия предполагают, что покрытосеменные растения — цветковые растения, такие как маргаритки, злаки и плодовые деревья — могли пережить крупные экологические потрясения в доисторические времена Земли благодаря случайно дублированным геномам. Обычно такие избыточные геномы являются эволюционным бременем, но в периоды хаоса они могли помочь покрытосеменным растениям процветать и стать доминирующими растениями, которые мы видим сегодня.

Как правило, организмы, размножающиеся половым путем, имеют две копии своих хромосом, по одной от каждого родителя. Но растения — и особенно покрытосеменные — часто имеют более двух, это состояние называется полиплоидией, возникающее из-за того, что геном не делится пополам в репродуктивных клетках. Такие растения, как картофель и некоторые сорта пшеницы, имеют четыре копии своих хромосом. Другие могут иметь восемь копий или более.

По словам Хенгчи Чена из Гёттингенского университета в Германии, треть современных покрытосеменных растений являются полиплоидными. Однако предыдущие анализы глубокой эволюционной истории полиплоидии показали, что старые дупликации встречаются довольно редко.

«Большинство полиплоидных организмов вымерли в ходе длительной эволюции», — говорит Чен.

Он и его коллеги хотели выяснить, почему многие дупликации генома у покрытосеменных исчезли миллионы лет назад и почему другие укоренились. Они проанализировали геномы 470 видов покрытосеменных, чтобы построить эволюционное древо. За примерно 150 миллионов лет эволюции команда обнаружила и датировала 132 случая, когда геномы дублировались очень давно.

Эти дупликации сгруппировались в девять доисторических периодов, от 108 до 14 миллионов лет назад. Почти все эти события совпали с крупными экологическими или геологическими событиями, такими как изменение климата, изменение уровня кислорода или массовые вымирания, включая падение астероида в конце мелового периода, уничтожившее нептичьих динозавров. Во времена глобального хаоса полиплоидные растения, казалось, переживали свой расцвет.

В большинстве случаев полиплоидия может быть серьезным недостатком, замедляя рост или затрудняя или делая невозможным успешное скрещивание с неполиплоидными родственниками. Но времена потрясений могли создать предпосылки для неожиданного успеха полиплоидных растений благодаря множеству факторов, совпавших воедино.

Например, экстремальная жара или холод могли увеличить вероятность сбоя во время размножения, говорит Чен, что и способствовало росту полиплоидии. Полиплоиды также могут обладать повышенной устойчивостью к стрессовым факторам, таким как засуха и засоление, а их дополнительные гены могут развивать новые функции в быстро меняющемся мире. Более того, меняющиеся экосистемы открывают новые возможности по мере исчезновения конкурентов.

«Изначально малочисленная, полиплоидная особь, скрывающаяся в глубине популяции, каким-то образом получает доступ к большему количеству ресурсов, и это также может дать ей преимущество в выживаемости в условиях стресса», — говорит Чен, что приводит к большей выживаемости.

По его словам, гипергибкие, избыточные геномы покрытосеменных растений могут быть ключом к их успеху как группы.

Памела Солтис из Музея естественной истории Флориды в Гейнсвилле интересуется, как больший объем выборки, охватывающий более широкий спектр видов покрытосеменных растений, может повлиять на результаты. «Несмотря на то, что этот анализ огромен по сравнению с предыдущими работами, 470 видов — это все еще очень малая часть видов покрытосеменных», — говорит она. «Общее количество видов приближается к 400 000, но новые геномы становятся доступны «очень быстрыми темпами».