Ученые впервые проанализировали полный геном пастушьей сумки — вида, который входит в пятерку самых распространенных растений мира и встречается на всех континентах, кроме Антарктиды. Оказалось, что существующие на сегодняшний день популяции пастушьей сумки, различающиеся, например, формой и размером листьев, произошли от одного предкового растения-гибрида. Исследование истории этого вида и в перспективе открытие механизмов, за счет которых пастушья сумка расселилась по миру, позволит понять, как повысить устойчивость сельскохозяйственных растений к холоду и засухам. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале BMC Biology.
Обычно в клеточных ядрах животных и растений содержится двойной набор хромосом — молекул ДНК, окруженных белками. Однако встречаются виды-полиплоиды, с четырьмя или даже более наборами хромосом. Особенно много их среди культурных растений: таковы пшеница, сахарный тростник, хлопчатник, клубника, рапс. Полиплоиды часто возникают в результате скрещивания относительно далеких, хотя и родственных видов, когда их геномы объединяются, в результате чего хромосом становится в разы больше. Предположительно, полиплоидия улучшает способность организмов адаптироваться к среде обитания. Например, растения с несколькими наборами хромосом могут быть более устойчивы к засухам и недостатку минеральных веществ, быстрее расти и распространяться. Однако причины таких преимуществ до конца не ясны. Новые открытия в этой области позволят разработать механизмы, повышающие урожайность и устойчивость культурных растений к неблагоприятным условиям среды.
Ученые из Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича РАН (Москва) и Сколковского института науки и технологии (Москва) исследовали полный геном и распределение генов по хромосомам пастушьей сумки.
«Яркий пример полиплоида, обладающего высокой приспособленностью, — пастушья сумка обыкновенная (Capsella bursa-pastoris). Виды, считающиеся родительскими по отношению к этому растению — красноватая и восточная пастушьи сумки, — имеют небольшие ареалы в зонах с благоприятным климатом — в Средиземноморском регионе и Центральной Азии. При этом их гибрид можно встретить по всему миру — от Мурманска и пустынь на Ближнем Востоке до горных районов Китая. Однако генетические основы такой способности успешно расти в совершенно разных условиях практически не изучены», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Пенин, заведующий лабораторией геномики растений ИППИ имени А.А. Харкевича РАН.
Несмотря на огромный прогресс в технологиях секвенирования — определения генетических последовательностей, — сборка геномов полиплоидов остается сложной задачей. Это связано с тем, что у них в геноме очень много похожих друг на друга участков, которые программы-сборщики склонны ошибочно воспринимать как один и тот же фрагмент.
Авторы выполнили несколько дополнительных проверок результатов программ-сборщиков, а также аннотировали геном, то есть разметили его на гены и некодирующие области. В результате анализ показал, что у пастушьей сумки оба генома, доставшихся ей от родителей, равноценны и используются клетками примерно одинаково. Это необычное явление, потому что у большинства полиплоидов, например хлопчатника, кукурузы и клубники обычно один из геномов доминирует — в нем сохраняется больше генов и они активно работают, тогда как в другом происходят потери генов или накапливаются изменения, препятствующие их активности.
Также биологи выяснили, что очень далекие популяции пастушьей сумки — азиатская, ближневосточная и европейская — имеют одинаковые изменения в структуре хромосом. Это говорит о том, что пастушья сумка как вид возникла в процессе эволюции однократно. То есть все растения пастушьей сумки, которые сейчас распространены в мире, имеют одного предка.
Кроме того, данные, полученные в результате полногеномного анализа, опровергают существующее мнение о том, что прямым прародителем пастушьей сумки обыкновенной был вид красноватая пастушья сумка (Capsella rubella). Авторы считают, что Capsella rubella является «тетей» пастушьей сумки обыкновенной, а ее истинный родитель либо вымер, либо еще не обнаружен.
«Секвенирование генома — это только первый шаг по изучению этого вида. Сейчас мы проводим с пастушьей сумкой ряд других экспериментов, в частности, по редактированию генома — избирательно отключаем гены, унаследованные от предковых видов, чтобы понять, как отличаются их функции. Также мы собираем коллекцию образцов из разных климатических зон для того, чтобы установить, какие изменения в геноме помогли к ним адаптироваться. Мы надеемся, что эти исследования не только помогут понять общие закономерности эволюции полиплоидов, но и облегчить изучение сельскохозяйственных растений со сложными геномами, таких как кукуруза и пшеница», — подводит итог Алексей Пенин.