Дикие растения могут редактировать свои геномы так же, как мы создаем ГМ-культуры — и это может быть ключевым для эволюции

Генетически модифицированные (ГМ) культуры могут быть спорными, но схожие процессы происходят естественным образом у диких растений. Ученые давно пытались понять, как это происходит. Наше недавнее исследование может помочь решить эту загадку.

Метафора «древа жизни» описывает эволюционные связи между организмами. Однако реальность сложнее: виды не всегда эволюционируют изолированно. В некоторых группах организмов связи между ветвями настолько часты, что концепцию древа жизни, возможно, стоит пересмотреть. Это особенно верно для бактерий, чьи эволюционные связи напоминают запутанную сеть. Переплетение ветвей вызвано движением генетической информации.

Горизонтальный перенос генов — это процесс, при котором фрагменты ДНК (например, гены) перемещаются между организмами не от родителя к потомку, а иными путями. Он позволяет обмениваться генетической информацией между далекими ветвями древа жизни без полового размножения и ответственен за быстрое распространение таких признаков, как устойчивость к антибиотикам у бактерий. Раньше считалось, что это явление ограничено микробами, но теперь известно, что оно происходит и у многих растений, животных и грибов, распространяя генетические «рецепты» признаков, дающих эволюционное преимущество.

Горизонтальный перенос генов у злаков

Злаки — одна из важнейших групп растений, включающая рис, пшеницу и кукурузу. Они покрывают почти 40% суши Земли и составляют основу калорийности рациона человека.

Горизонтальный перенос генов между видами злаков обнаружен как у диких, так и у культурных видов. Хотя мы знаем о таких переносах по следам в геномах видов (полных наборах ДНК-инструкций в клетке), механизм этого процесса остается неизвестным. Неизвестна и его частота — именно это и стремилось выяснить наше недавнее исследование, опубликованное в New Phytologist.

Понимание скорости горизонтального переноса генов позволило бы оценить его влияние на планету и эволюцию растений, а также на то, как быстро он может помочь растениям адаптироваться к изменениям. Например, достаточно ли он распространен, чтобы растения уже использовали его в ответ на изменение климата?

Мы секвенировали несколько геномов тропического злака Alloteropsis semialata, чтобы оценить частоту переноса генов в этот вид. Исследование восстановило эволюционную историю каждого гена в геноме, идентифицировало гены иностранного происхождения и определило, когда и откуда они были перенесены.

Результаты показали, что гены постоянно приобретались на протяжении всей эволюционной истории этого вида, с включением чужеродного гена примерно каждые 35 000 лет.

Однако это — значительное недооценка реальной скорости переносов, так как не учитывает гены, которые могли быть утеряны впоследствии. Большинство перенесенных генов вряд ли дают реципиенту преимущество и могут даже иметь негативные последствия, нарушая важные части его генетического кода. Гены, не дающие преимущества, часто теряются. Ученым гораздо сложнее обнаружить такие транзитные гены.

Сохраняются, как правило, гены, дающие реципиенту эволюционное преимущество. Например, многие из обнаруженных у злаков горизонтально перенесенных генов обеспечивают устойчивость к болезням, стрессоустойчивость и увеличение производства энергии. Эти гены могли быть оптимизированы в геномах видов-доноров в течение миллионов лет. Горизонтальный перенос генов позволяет реципиенту пропустить этот долгий процесс совершенствования.

Технология ГМ

В конечном счете, горизонтальный перенос генов и ГМ-культуры имеют одинаковый результат: ген иностранного происхождения встраивается в геном реципиента.

Наше исследование дало представление о том, как часто происходят горизонтальные переносы. Но мы до сих пор не знаем, как гены перемещаются между отдаленно родственными видами. Существует много теорий, но мы считаем наиболее вероятным механизм репродуктивной контаминации, который зеркалит некоторые методы создания ГМ-культур.

Существует несколько методов создания ГМ-растения — некоторые требуют интенсивного вмешательства человека, а некоторые — нет. Простые техники, такие как повторное опыление или опосредованный перенос через пыльцевую трубку, требуют минимального вмешательства. В этих методах небольшие фрагменты ДНК от третьей особи перемещаются по той же пыльцевой трубке, созданной отцом, и «загрязняют» эмбрион в семени. Теоретически это могло происходить естественным путем.

В будущем мы планируем проверить эту идею и попытаться воссоздать некоторые из задокументированных нами естественных переносов. Если это удастся, возможно, пришло время пересмотреть наш взгляд на ГМ-культуры. Возможно, они ближе к естественным процессам, чем мы думаем.