Происхождение цветковых растений: Дозозависимые гены не подтверждают дупликации всего генома у предковых покрытосеменных
Покрытосеменные, или цветковые растения, — самая разнообразная группа семенных растений. Их происхождение и эволюция — центральный вопрос эволюционной биологии растений. Дупликация всего генома (WGD), или полиплоидизация, считается ключевым драйвером происхождения и эволюции признаков как семенных растений, так и покрытосеменных.
Однако обнаружение этих древних событий WGD технически сложно, так как их геномные сигнатуры часто скрыты последующей потерей генов, хромосомными перестройками и насыщением синонимичными заменами в процессе редиплоидизации.
Дискуссия о древних событиях WGD
В 2011 году, основываясь на бимодальном распределении возрастов дупликаций генов, предшествующих расхождению однодольных и эвдикотов, исследователи предположили два независимых древних события WGD: ζ-событие у семенных растений и ε-событие у покрытосеменных.
Однако в 2017 году это заключение было оспорено. Исследование предположило, что наблюдаемый бимодальный сигнал может быть артефактом методологии, а не отражением реальных эволюционных процессов. Ключевым искажающим фактором была названа неоднородность калибровки филогенетических узлов для молекулярного датирования. Это противоречие до сих пор оставляло вопрос нерешённым.
Новый подход с использованием дозозависимых генов
Чтобы прояснить древнюю историю WGD семенных и покрытосеменных растений, исследователи из Уханьского ботанического сада Китайской академии наук и Гентского университета предложили использовать дозозависимые гены в качестве эволюционных маркеров для обнаружения древних WGD. Эти гены обычно кодируют ключевые компоненты белковых комплексов, сигнальных путей или регуляторных сетей. Изменение их дозы экспрессии может нарушить клеточный стехиометрический баланс, что приводит к их преимущественному сохранению после WGD.
Результаты опубликованы в Science Advances.
Методы исследования и классификация
Учёные проанализировали группы ортологичных генов (OG) у покрытосеменных с разной историей WGD и количественно оценили их относительную дозозависимость с помощью коэффициентов корреляции между наблюдаемым числом копий OG и ожидаемым после WGD. На основе этих корреляций OG были классифицированы на четыре группы (от A до D) — от самой высокой чувствительности (Группа A) до самой низкой (Группа D).
Исследование подтвердило, что высокодозозависимые OG (Группа A) демонстрируют более сильный очищающий отбор, больше белок-белковых взаимодействий, более широкие профили тканевой экспрессии и более чёткие пики Ks, соответствующие известным WGD, — что подтверждает их надёжность как маркеров WGD.
Результаты о древних событиях WGD
Используя эти дозозависимые OG, исследователи объединили реконструкцию «дерево генов — дерево видов», анализ корреляции числа копий генов и вероятностное моделирование удержания, чтобы проверить конкурирующие сценарии WGD. Для анализа были выбраны две рано ответвившиеся линии покрытосеменных, Amborella trichopoda и Aristolochia fimbriata, у которых нет WGD после возникновения покрытосеменных.
Результаты выявили только один выраженный древний пик дупликации, соответствующий WGD у предковых семенных растений (ζ-событие). Напротив, сигнал для предполагаемого специфичного для покрытосеменных WGD (ε-событие) был крайне слабым, с соотношением узлов дупликации значительно ниже теоретических ожиданий.
Как корреляционный анализ, так и вероятностное моделирование дополнительно показали очень низкие уровни удержания ε-события среди дозозависимых OG, что не подтверждает его статус как независимой WGD. Таким образом, эволюционные паттерны дозозависимых генов поддерживают существование единственной древней WGD у семенных растений, без дополнительной WGD в ходе эволюции предковых покрытосеменных.