Папоротники наконец получили геном, раскрывая историю накопления ДНК и клептомании
Папоротники печально известны огромным количеством ДНК и чрезмерно большим числом хромосом. Противореча всем ожиданиям, папоротник размером не больше тарелки в настоящее время держит рекорд по числу хромосом — ошеломляющие 720 пар в каждом ядре. Эта склонность папоротников к накоплению ДНК ставила ученых в тупик, а их не поддающиеся размеры геномов затрудняли секвенирование, сборку и интерпретацию.
Теперь две статьи в журнале Nature Plants переписывают историю, представляя первые полные геномы равноспоровых папоротников — большой группы, содержащей 99% всего современного разнообразия папоротников.
Две исследовательские группы отдельно представили геном Ceratopteris (Ceratopteris richardii) и геном древовидного папоротника (Alsophila spinulosa).
Анализ генома Ceratopteris дает подсказки для решения давней загадки, почему папоротники в среднем сохраняют больше ДНК, чем другие растения. Сравнения с геномами других групп также привели к неожиданному открытию: папоротники украли гены для нескольких своих токсинов против травоядных у бактерий.
Геном Ceratopteris противоречит теории, оставляя больше вопросов, чем ответов
С 1960-х годов наиболее популярным объяснением избытка ДНК у папоротников были массовые дупликации всего генома, когда лишний набор хромосом случайно передается потомству. Это иногда может быть полезно, так как все дополнительные гены становятся сырьем для эволюции новых признаков.
Однако, если бы Ceratopteris увеличил объем ДНК за счет повторных дупликаций, исследователи ожидали бы найти большие идентичные участки в его 39 парах хромосом. Вместо этого они обнаружили смесь повторяющихся последовательностей и миллионов коротких фрагментов, называемых прыгающими генами, которые составили 85% ДНК папоротника. Вместо множественных копий генома Ceratopteris в основном содержит генетический мусор, накопленный за миллионы лет.
«Функциональные гены разделены большими объемами повторяющейся ДНК. И хотя мы еще не уверены, как геномы Ceratopteris и других папоротников стали такими большими, ясно, что преобладающий взгляд на повторяющиеся эпизоды дупликации генома не подтверждается», — говорит соавтор Пэм Солтис.
Секвенирование большого, сложного генома Ceratopteris заняло более восьми лет работы и совместных усилий десятков исследователей из 28 институтов по всему миру. Конечный результат — 7.46 гигабаз ДНК, что более чем вдвое превышает размер генома человека.
Папоротники неоднократно крали токсины у бактерий
Более пристальный взгляд на миллиарды пар оснований ДНК в Ceratopteris выявил несколько защитных генов, кодирующих особо опасный тип порообразующего токсина. Эти токсины связываются с клетками, активируются и образуют небольшие полые кольца, которые пробивают клеточную мембрану. Вода затапливает клетки через образовавшиеся отверстия, заставляя их разрываться.
«Это первое конкретное доказательство наличия этих генов, родственных бактериальным токсинам, в ДНК папоротника», — отмечает ведущий автор Блейн Марчант.
Похоже, Ceratopteris получил этот токсин напрямую от бактерий в процессе горизонтального переноса генов. Учитывая, что было несколько копий гена, разбросанных по трем отдельным хромосомам, вероятно, это происходило неоднократно.
«Механизмы горизонтального переноса генов остаются одной из наименее изученных областей эволюции наземных растений», — объясняет Даг Солтис. «В эволюционных масштабах это немного похоже на выигрыш в лотерею».
Авторы отмечают, что это лишь первый шаг в длинной серии исследований с практическим применением — от разработки новых биопестицидов до инновационных стратегий сохранения.