Исследователи секвенировали геном трех видов папоротника и обнаружили, что это настоящая "генетическая свалка" фрагментов генома, из которых лишь 15% играют реальную роль в жизни растения.
Папоротники полны удивительных особенностей. Сама их ДНК очень странная и сложная. На самом деле, один вид папоротника – Ophioglossum reticulatum, или папоротник гадюковый – является рекордсменом среди многоклеточных организмов с наибольшим числом хромосом. В большинстве его клеточных ядер можно найти около 720 пар хромосом.
После многих лет кропотливой работы ученые, наконец, секвенировали гигантские геномы трех разных односпоровых папоротников, обнаружив, что эти пагубные растения не только копили ДНК, но и крали ее у других организмов — и делали это миллионы лет. «Каждый геном рассказывает свою историю», — отметил генетик Дуг Солтис из Флоридского музея естественной истории, соавтор одной из статей.
По его словам, папоротники являются ближайшими живыми родственниками всех семенных растений, и они производят химические средства отпугивания травоядных, которые могут быть полезны для сельскохозяйственных исследований. Тем не менее, до сих пор они оставались последней крупной линией зеленой жизни без секвенированной последовательности генома.
Генетические аномалии
Геномы трех папоротников были описаны в трех отдельных статьях. Статья о древовидном папоротнике (Alsophila spinulosa) была опубликована в мае в журнале Nature Plants. На этой неделе к нему присоединились статьи о папоротнике адиантумном (Adiantum capillus-veneris) и папоротнике Ceratopteris richardii, который десятилетиями изучался как модельный организм.
Оказалось, что геном папоротников содержит 7,46 гигабаз ДНК в 39 парах хромосом, что более чем в два раза превышает размер генома человека. Исследователи сообщают, что это преподнесло несколько довольно интересных сюрпризов.
В прошлом ученые приписывали огромные геномы папоротников и большое количество хромосом повторяющимся циклам дупликации всего генома, при которых потомство организма случайно наследует дополнительные копии всей генетической информации организма. Это характерно для растений и может дать некоторые преимущества, такие как быстрая эволюция и дивергенция.
Однако организмы, которые испытывают это, как правило, проходят короткий период адаптации, в течение которого большая часть дубликатов теряется, что приводит к более нормальному геному. В отличие от папоротников.
Мусорная свалка
Ответ был найден в ДНК папоротника C. richardii. Вместо идентичных участков ДНК, которые можно было бы ожидать, если бы имело место дублирование, хромосомы папоротника содержат беспорядочную мешанину из повторяющихся фрагментов и обрывков — генетический мусор, который накопился в растении за тысячи и тысячи лет. 85% генома C. richardii состоит из этих «транспозонов», то есть последовательностей ДНК, которые могут перемещаться, и эта пропорция также наблюдалась у A. capillus-veneris.
Как бы то ни было, кажется, что папоротники просто неэффективны в избавлении от ненужной ДНК. Вместо этого они хранят его бесконечно долго, как скряга, который просто не знает, когда можно воспользоваться накопленным. Но команда также нашла доказательства того, что C. richardii — подлый вор ДНК.
В геноме папоротника есть защита от определенного токсина, который пробивает дыры в клеточной мембране. Эта защита обычно встречается у бактерий, что позволяет предположить, что папоротник получил ее от бактерий в процессе, называемом горизонтальным переносом генов (который на самом деле довольно распространен среди бактерий). Копии этих защитных генов обнаруживаются в разных частях растения, что позволяет предположить, что этот перенос происходил несколько раз. Таким образом, папоротник, похоже, получает некоторую выгоду от плодов своей добычи, и, вероятно, эта выгода также носит защитный характер.