Геномы злаков содержат скрытый потенциал для адаптации
24.12.2021
Сколько копий каждого гена нужно любому виду животных и растений, чтобы он процветал в ареале своего существования, хорошо размножался и расширял среду своего обитания? Природа не дает простого ответа на этот вопрос. Ученые из Института молекулярной и клеточной биологии на примере различных видов злаков исследовали количество копий и структуру гена, чрезвычайно важного для процесса правильного деления клеток. Они выяснили, что широко культивируемые виды, такие как рис, кукуруза, пшеница, ячмень, рожь, отличаются по этим характеристикам, и установили, что различия возникли 35-40 миллионов лет назад. Сохранение в течение столь длительного времени указывает на важность возникших изменений в копийности и структуре гена для адаптации видов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), полученные результаты опубликованы в журнале «BMC PlantBiology».
Кодирующие последовательности ДНК,то есть участки генома, в которых зашифрованы аминокислотные последовательности белков,принято называть уникальной ДНК или собственно генами. Они составляют малую часть генома: у человека на их долю приходится всего 3–5%, а у злаковеще меньше —1–2%. Остальная часть генома представлена в основном различными классами повторяющихся последовательностей, и их функции не столь очевидны. При этомгены, например те, что кодируют рибосомальную РНК или запасные белки злаков, также могут быть представлены множественными копиями, но абсолютное большинство генов, как считалось, имеет только одну копию. Все эти факты были установлены в 70-80-х годах прошлого века.
Однако относительно недавно выяснилось, что значительная часть уникальной ДНК также не является истинно уникальной из-за широко распространенного явления дубликации генов. К нему ведут два основных события в процессе эволюции. Во-первых, это удвоение всего генома, что приводит к возникновению полиплоидных (удвоенных) геномов, и это явление особенно часто встречается среди растений. Во-вторых — удвоение небольших фрагментов (сегментальные дубликации), которые происходят вследствие особенностей структуры ДНК в данном участке генома. Дочерние (удвоенные) копии генов, как правило, выбрасываются в процессе эволюции, если они не приобрели новых функций и превратились в «псевдогены». Но и в этой, более-менее ясной картине природа, как всегда, оказалась непредсказуемой в своем многообразии.
Исследователи из Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск) выбрали для анализа ген, кодирующий исключительно важный по своей функции белок, так называемый центромерный гистон. Он определяет позицию центромер на хромосомах и их правильное функционирование. Это необходимо для правильной передачи всей генетической информации от родителей к потомкам. Еще один критический момент состоял в подборе объектов для исследования. Ученые остановились на видах из семейства злаков, которое является одним из самых больших и разнообразных среди растений.
Анализ геномов наиболее распространенных видов показал, что эволюционная ветвь, из которой произошли современные рис и кукуруза, имеет одну копию гена центромерного гистона, а в другой эволюционной ветви, из которой возникли современные пшеница, ячмень и рожь, произошла дубликация. Авторы провели анализ последовательности этого участка ДНК и методом «молекулярных часов» установили, что удвоение произошло примерно35–40 миллионов лет назад.Оно сопровождалось изменениями в структуре дочерней копии гена, а именно уменьшилось количество кодирующих участков (экзонов) и изменился порядок их чередования с некодирующими участками (интронами). Однако эти изменения не превратили вторую копию гена в «псевдоген», и давление очищающей селекции не выбросило ее за столь длительный срок из генома. Она вполне функциональна и нарабатывает белок уменьшенного размера.
«Пока не очень понятно, зачем вообще было необходимо удвоение, если другие злаковые, такие как рис и кукуруза, спокойно обходятся одним геном и процветают, занимая огромные ареалы. Кроме того, загадкой остается и то, почему произошло укорочение: например, у некоторых представителей бобовых тоже есть вторая копия этого гена, однако она не отличается от родительской ни размером, ни экзон-интронной структурой. Ответ на эти вопросы поможет решить загадку избыточной ДНК, но пока его у нас нет», — подводит итог Александр Вершинин.