Эволюция геномов растений показывает как эпизодические, так и постепенные паттерны диплоидизации

Полиплоидия, или дупликация всего генома (WGD), — ключевой механизм эволюции геномов у живых организмов, особенно распространённый у растений, где он способствует эволюции новых признаков.

Несмотря на преимущества, новообразованные полиплоидные растения сталкиваются с проблемами на разных уровнях — от молекулярного и клеточного до экологического — из-за наличия дополнительного набора хромосом. В результате многие полиплоидные растения проходят через процесс диплоидизации, который помогает преодолеть эти проблемы и стимулирует инновации в транскрипционных, физиологических и морфологических признаках.

Многие так называемые «диплоидные» растения на самом деле являются «палеополиплоидами» — они пережили несколько раундов древних WGD с последующей диплоидизацией. Этот широко распространённый у растений эволюционный цикл известен как цикл полиплоидия–диплоидизация.

Хотя цикл распространён, темпы и механизмы диплоидизации оставались плохо изученными, в основном из-за сложности разделения de novo эволюции (новых изменений после полиплоидии) и генетической вариативности, унаследованной от родительских видов.

Исследовательская группа под руководством профессора Ге Сонга из Института ботаники Китайской академии наук изучила процесс диплоидизации у дикого аллотетраплоидного риса Oryza minuta, используя подход популяционной геномики. Результаты показывают, что темпы диплоидизации в пределах одного полиплоидного вида могут быть как эпизодическими, так и постепенными. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Учёные создали сборки геномов с разрешением на уровне хромосом для трёх видов дикого риса. Благодаря обширному популяционному анализу им удалось отделить унаследованную вариативность от эволюции после полиплоидии, раскрыв сложную картину диплоидизации:

• Фракционирование генов (потеря дуплицированных генов) происходило в виде раннего всплеска.
• Накопление мобильных генетических элементов (TEs) и гомеологичных обменов протекало постепенно.

Паттерны гомеологичной экспрессионной предвзятости — преимущественной экспрессии одной копии дуплицированных генов над другой — сильно варьировали в разных тканях без устойчивого смещения в пользу одного субгенома. Исследователи также оценили роль метилирования ДНК, распределения TEs и родительского наследия в формировании паттернов экспрессии, подчеркнув сложность транскрипционной регуляции.

Показав, что диплоидизация у одного полиплоидного вида может быть и эпизодической, и постепенной в зависимости от типа мутации, исследование подчёркивает, что «диплоидизация» — гетерогенный геномный процесс.

Результаты не только углубляют понимание эволюции геномов растений, но и демонстрируют силу популяционной геномики для раскрытия динамики и механизмов, управляющих эволюцией полиплоидов.