Геномное древо жизни семенных растений — крупнейшее на сегодня
Ученые из Американского музея естественной истории, Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йоркского ботанического сада и Нью-Йоркского университета создали крупнейшее на сегодняшний день геномное древо жизни для семенных растений. Результаты, опубликованные в журнале PLoS Genetics, показывают эволюционные взаимосвязи 150 различных видов растений на основе расширенного анализа структуры и функции генов на уровне всего генома. Этот новый подход, названный «функциональной филогеномикой», позволяет реконструировать последовательность событий, приведших к огромному числу видов растений, и может помочь выявить гены, используемые для улучшения качества семян в сельском хозяйстве.
Исследование, проведенное членами Консорциума по геномике растений Нью-Йорка, финансировалось Программой генома растений Национального научного фонда (NSF) с целью идентификации генов, обусловивших эволюцию семян — признака, имеющего важное экономическое значение. Для исследования были отобраны 150 репрезентативных видов из всех основных групп семенных растений, от цветковых (например, арахис и одуванчик) до нецветковых голосеменных, таких как ель и сосна. Последовательности геномов растений были либо взяты из существующих баз данных, либо получены из живых образцов в полевых условиях и в Нью-Йоркском ботаническом саду в Бронксе.
С помощью новых алгоритмов, разработанных в Музее и NYU, и вычислительных мощностей суперкомпьютеров в Колд-Спринг-Харбор и за рубежом, последовательности — почти 23 000 наборов генов — были сгруппированы, упорядочены и организованы в древо согласно их эволюционным взаимосвязям. Алгоритмы, определяющие сходство биологических процессов, использовались для выявления генов, лежащих в основе видового разнообразия.
Результаты подтверждают основные гипотезы об эволюционных взаимосвязях семенных растений. Наиболее интересный вывод заключается в том, что гнетовидные — группа, состоящая в основном из кустарников и деревянистых лиан, — являются наиболее примитивными из ныне живущих нецветковых семенных растений (существовали с позднего мезозоя, «эры динозавров») и расположены у основания эволюционного древа семенных растений.
Кроме того, исследователи смогли сделать прогнозы о генах, вызвавших эволюцию важных признаков растений. Один из таких эволюционных сигналов — РНК-интерференция, процесс, используемый клетками для подавления активности специфических генов. На основе новых филогеномических карт ученые полагают, что РНК-интерференция сыграла большую роль в отделении однодольных растений (имеющих одну семядолю, включая орхидеи, рис и сахарный тростник) от других цветковых. Более того, она также сыграла важную роль в возникновении самих цветковых растений.
Данные и программные ресурсы, созданные исследователями, находятся в открытом доступе и позволят другим ученым использовать разнообразие растений для идентификации генов, связанных с интересующим признаком или агрономической ценностью. Эти исследования могут иметь значение для улучшения качества семян и, как следствие, сельскохозяйственной продукции — от продуктов питания до одежды.
Филогеномный подход, использованный в этом исследовании, может быть применен к другим группам организмов для дальнейшего изучения того, как виды возникали, расширялись и диверсифицировались.