Ученые выясняют, как растения смогли восстановиться после древнего изменения ДНК

Фото из открытых источников

Удивительно большое количество выращиваемых нами растений содержат вдвое больше ДНК, чем им, по-видимому, необходимо. Пшеница, хлопок и многие садовые виды давно уже получили дополнительную полную копию своего генома, после чего продолжали прекрасно расти. 

Однако удвоенный геном не остается удвоенным. За миллионы лет он распадается — хромосомы сливаются, лишние копии исчезают, и их количество постепенно возвращается к нормальному значению.

Новое исследование проследило, как одному дикорастущему растению это удалось. Как оказалось, последствия были гораздо менее случайными, чем кто-либо ожидал. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Копирование всего генома называется полиплоидией. В мире растений это почти обыденное явление. Фактически, в одном из обзоров полиплоидия отнесена к числу наиболее мощных факторов в эволюции растений, уступая лишь таким основным культурам, как пшеница и хлопок, а также бесчисленным диким видам.

Тем не менее, лишние копии не вечны. С течением времени геном удаляет излишки и сливает хромосомы. Количество хромосом постепенно уменьшается в процессе медленной «упорядочивания», который ученые называют редиплоидизацией – возвращением генома в состояние, близкое к нормальному.

Чтобы внимательно понаблюдать за этим процессом восстановления, группа под руководством профессора Мартина А. Лисака обратилась к средиземноморскому полевому цветку, называемому щитовником (Biscutella). Это необычное растение, ценимое ботаниками за свои плоские семенные стручки.

Группа Лысака, базирующаяся в Центрально-европейском технологическом институте (CEITEC) при Университете Масарика в Брно, Чехия, изучает, как происходит перестройка хромосом растений.

Все виды горчицы щитовидной произошли от одного древнего гибрида. Около 11 миллионов лет назад два родственных растения слились в одного предка с 14 парами хромосом – восемью от одного родителя и шестью от другого.

С этой отправной точки род разросся на десятки видов. Команда Лисака создала геномные карты для восьми из них. Эти последовательности ДНК содержали от 0,6 до 1,1 миллиарда букв и включали шесть, восемь или девять пар хромосом.

Увеличение количества пар хромосом с 14 до девяти, восьми или шести означало удаление хромосом и перераспределение остальных. Каждый геном также избавлялся от большинства дублированных генов, сохраняя только одну копию из каждой пары.

Утрата хромосом в этих линиях происходила по-разному. Вместо этого каждая линия следовала своей собственной схеме слияний и обменов, и две из них достигли одинакового конечного количества хромосом совершенно разными путями.

Ученые хорошо задокументировали подобные независимые перестройки. В одном обзоре отмечается, что почти все наземные растения представляют собой древние удвоения, которые с тех пор вернулись в исходное состояние. Что особенно бросалось в глаза в случае с горчицей щитовидной, так это время.

На ранних этапах хромосомы разрывались и снова соединялись с невероятной скоростью — до пяти перестроек каждые миллион лет. Затем скорость резко снизилась, примерно до одной перестройки на миллион лет, как будто геном стабилизировался.

В независимых линиях, перестраивающихся самостоятельно, разрывы должны располагаться случайным образом. Но этого не произошло. Когда команда нанесла на карту точки разрыва — места, где хромосомы обрывались и снова соединялись, — одни и те же 14 мест постоянно повторялись.

Эти разрывы были распределены неравномерно вдоль хромосом. Они группировались. Внутри клетки геном сворачивается в плотную спираль, образуя петли и разделяясь на активные и спокойные зоны. Большинство из них располагались там, где заканчивается один участок и начинается следующий, и где оживленный отрезок встречается с тихим. Одни и те же линии, одна за другой.

Биологи наблюдали аналогичную тенденцию и в других местах. Одно исследование показало, что хромосомы плодовых мушек, как правило, разрываются вдоль одних и тех же границ свертывания. Однако до сих пор никто не прослеживал подобную закономерность в рамках целого рода растений, где реорганизация происходит от линии к линии.

Почему именно эти разрывы чаще всего происходят в местах соединения, до конца не выяснено. Команда предполагает, что разрыв на краю петли наносит меньше вреда, поскольку он не затрагивает переключатели, которые включают и выключают гены внутри этой петли.

Изменения коснулись не только хромосом. Несколько генов, регулирующих форму цветка и плода, были утрачены или перестали функционировать, что свидетельствует об ослаблении давления, необходимого для их сохранения.

Горчица Баклера получила свое название благодаря плоским, парным стручкам, а представители этого семейства растений демонстрируют поразительное разнообразие форм стручков. Представленные командой данные указывают на то, что именно это смягчение политики привело к появлению такого разновидности смягчения, хотя они называют это лишь зацепкой, а не окончательным решением.

Многие из сельскохозяйственных культур на наших тарелках сами по себе являются полиплоидами, находящимися на стадии восстановления. Знание того, что структура генома определяет место перестроек, дает исследователям возможность изучать ситуацию, когда хромосомы сельскохозяйственных культур неожиданно реорганизуются.

В конечном итоге, эта работа показывает, что длительное разрушение этого генома никогда не было полностью случайным. Те же самые точки разрыва вновь появлялись на стыках структуры генома в линиях, реорганизующихся самостоятельно на протяжении миллионов лет.

До этого исследования перетасовка генома после его удвоения казалась, по сути, случайной. Горчица Баклера теперь является самым наглядным примером того, как собственная структура генома незаметно направляет разрывы, даже в разных линиях.

Это даёт учёным-геномистам новый способ решения старой загадки. Место, где хромосома с наибольшей вероятностью может разорваться, частично заложено в структуре ДНК. Это связь между архитектурой генома и его эволюцией, которую исследователи теперь могут проверять и в других местах.