Папоротники печально известны тем, что содержат огромное количество ДНК и чрезмерно большое количество хромосом. Вопреки всем ожиданиям, папоротник размером не больше обеденной тарелки в настоящее время носит звание самого большого по количеству хромосом: в каждое ядро ​​втиснуто целых 720 пар. Эта склонность папоротников к накоплению ДНК поставила ученых в тупик, а непостижимый размер их геномов затруднил их секвенирование, сборку и интерпретацию.

Теперь две статьи, опубликованные в журнале Nature Plants , переписывают историю с первыми полноразмерными геномами односпоровых папоротников, большой группы, которая содержит 99% всего современного разнообразия папоротников.

«Каждый геном рассказывает свою историю», — сказал соавтор Дуг Солтис, выдающийся профессор Музея естественной истории Флориды. «Папоротники являются ближайшими живыми родственниками всех семенных растений, и они производят химические отпугивающие средства для травоядных, которые могут быть полезны для сельскохозяйственных исследований. Тем не менее, до сих пор они оставались последней крупной линией зеленой жизни без последовательности генома ».

Две группы исследователей по отдельности обнародовали геном Ceratopteris (Ceratopteris richardii) в этот четверг и геном летучей обезьяны-папоротника (Alsophila spinulosa) в прошлом месяце.

Анализ генома Ceratopteris дает подсказки для решения давней загадки, почему папоротники в среднем сохраняют больше ДНК, чем другие растения. Сравнения с геномами других групп также привели к неожиданному открытию, что папоротники украли гены нескольких своих токсинов против травоядных у бактерий.

Геном Ceratopteris опровергает многолетнюю теорию, оставляя больше вопросов, чем ответов

С 1960-х годов наиболее популярное объяснение того, почему папоротники содержат так много ДНК, связано с безудержной дупликацией всего генома , при которой дополнительный набор хромосом случайно передается потомству организма. Иногда это может быть полезно, так как все дополнительные гены могут быть использованы в качестве сырья для эволюции новых признаков. Фактически, дублирование всего генома было связано с происхождением почти всех сельскохозяйственных растений.

Дублирование всего генома распространено у растений и даже у некоторых животных, но большинство организмов склонны со временем избавляться от лишнего генетического багажа, возвращаясь к меньшим геномам, которые метаболически легче поддерживать.

«Это был главный вопрос для обсуждения в течение последних пятидесяти лет и привел к самым разным противоречивым результатам», — сказал ведущий автор Блейн Марчант, научный сотрудник Стэнфордского университета и бывший аспирант Музея Флориды. «Попытка выяснить эволюционный процесс, лежащий в основе этого парадокса, невероятно важна».

С первым полностью собранным геномом односпорового папоротника ученые, наконец, были готовы ответить на этот вопрос, но сделать это было непросто. Секвенирование большого и сложного генома Ceratopteris заняло более восьми лет работы и совместных усилий десятков исследователей из 28 учреждений по всему миру, включая Объединенный институт генома Министерства энергетики США. Конечным результатом стало 7,46 гигабаз ДНК, что более чем вдвое превышает размер человеческого генома.

Исследователи ожидали, что если бы Ceratopteris увеличился в ДНК в результате повторяющихся событий дупликации генома, большая часть его 39 пар хромосом была бы идентичной. Вместо этого они обнаружили смесь повторяющихся последовательностей и миллионов коротких фрагментов, называемых прыгающими генами, которые составляют 85% ДНК папоротника. Вместо нескольких копий генома Ceratopteris в основном содержит генетический мусор, накопленный за миллионы лет.

«Функциональные гены разделены большим количеством повторяющихся ДНК. И хотя мы еще не уверены, как геномы Ceratopteris и других папоротников стали такими большими, ясно, что преобладающее мнение о повторяющихся эпизодах дупликации генома не подтверждается», — сказал он. соавтор Пэм Солтис, куратор музея Флориды и выдающийся профессор.

Авторы отмечают, что пока рано делать какие-либо однозначные выводы, тем более, что это первый анализ его масштабов, проведенный в данной группе. Перекрестные сравнения с дополнительными геномами папоротников в будущем помогут нарисовать более четкую картину того, как эти растения развивались.

Тем не менее, результаты указывают на явную разницу в том, как односпоровые папоротники управляют своим генетическим содержанием по сравнению с почти всеми другими растениями, сказал Маршан.

«Кажется, мы обнаруживаем, что такие растения, как цветущие растения, геном которых в среднем намного меньше, чем у папоротников, просто лучше избавляются от ненужной ДНК. Они лучше сбрасывают запасные хромосомы и даже уменьшаются в размерах после небольших дупликаций».

Папоротники многократно воровали токсины у бактерий

Более пристальный взгляд на миллиарды пар оснований ДНК внутри Ceratopteris выявил несколько защитных генов, которые кодируют особенно зловещий тип порообразующего токсина. Эти токсины связываются с клетками, где они активируются и образуют маленькие полые кольца, пробивающиеся сквозь клеточную мембрану. Вода попадает в клетки через образовавшиеся отверстия, вызывая их разрыв.

Порообразующие токсины интенсивно изучаются учеными на предмет их потенциального использования в технологии нанопор, пояснил Маршан. Однако чаще всего они обнаруживаются у бактерий.

«Это первое конкретное свидетельство наличия генов, связанных с бактериальными токсинами, в ДНК папоротника », — сказал Маршан, отметив, что сходство не является случайным.

Вместо того, чтобы вырабатывать этот токсин самостоятельно, Ceratopteris, по-видимому, получил его непосредственно от бактерий посредством процесса, называемого горизонтальным переносом генов. А учитывая, что несколько копий гена были разбросаны по трем отдельным хромосомам, вполне вероятно, что это происходило более одного раза.

«Удивительно то, что множество копий этих генов обнаруживается в разных частях растения», — сказал он. «Некоторые сильно экспрессируются в стебле и корнях, в то время как другие копии экспрессируются исключительно в листьях, а третьи обычно экспрессируются во всех тканях. На данный момент мы не можем быть уверены в точной функции этих генов, но их сходство с Гены, образующие токсины у бактерий, безусловно, предполагают, что эти гены связаны с защитой».

Это не первый раз, когда папоротники включают в свой геном чужеродную ДНК. Исследование 2014 года показывает, что папоротники , возможно, развили свою характерную способность расти в тенистых местах, заимствуя гены у отдаленно родственных растений.

Однако остается неясным, как именно организмы, разделенные миллионами лет эволюции, могут обмениваться полностью функциональными генами.

«Механизмы горизонтального переноса генов остаются одной из наименее изученных областей эволюции наземных растений», — пояснил Дуг Солтис. «В масштабах эволюции это немного похоже на выигрыш в лотерею. Каждый раз, когда растение ранено, его внутренняя часть становится восприимчивой к вторжению микробов, но включение их ДНК в геном кажется удивительным».

Авторы говорят, что это всего лишь первый шаг в длинной серии исследований с практическим применением, начиная от разработки новых биопестицидов и заканчивая новыми стратегиями сохранения.

Некоторые из авторов участвуют в текущих усилиях по секвенированию геномов всех известных эукариотических организмов в течение 10-летнего периода. Этот проект, получивший название Earth Biogenome Project , позволит создать неисчислимые геномные ресурсы, которые исследователи будут полностью анализировать в обозримом будущем.