Тараканы, которых давно считают одними из самых живучих существ на планете, могли получить часть своей устойчивости не только благодаря собственной эволюции. Новое исследование ученых из Сиднейского университета показало, что в геномах этих насекомых содержатся десятки тысяч фрагментов ДНК, заимствованных у бактерий. Открытие указывает на необычно масштабный горизонтальный перенос генов — процесс, который у сложных организмов раньше считался сравнительно редким, пишет Science Alert.
Симбиоз тараканов и бактерий
Источником чужой ДНК оказалась бактерия Blattabacterium cuenoti. Она давно известна как внутренний симбионт тараканов, помогающий им перерабатывать азот. Однако прежде не было известно, что этот микроорганизм мог передать хозяину столь большое количество генетического материала. По словам исследователей, в геномах тараканов обнаружены многочисленные химерные вставки, включающие до девяти коротких участков из разных частей бактериального генома.
Горизонтальный перенос генов (HGT) означает передачу генетического материала не от родителей к потомству, а между разными видами, находящимися в тесном контакте. Такой механизм хорошо известен у бактерий и других микроорганизмов. У животных и растений, относящихся к эукариотам, его тоже фиксировали, но сильно реже. Новая работа показывает, что масштабы этого явления могли быть сильно недооценены.
Исследователи проанализировали полные геномы 18 видов тараканов и термитов. Эти группы близки эволюционно и имеют общих предков, однако большинство термитов после отделения от тараканьей линии утратили связь с B. cuenoti. В отличие от многих прежних работ, ученые искали не только крупные кодирующие гены, но и небольшие некодирующие фрагменты ДНК, которые не участвуют напрямую в создании белков и потому раньше часто оставались незамеченными.
Рекордный обмен
Именно такой подход дал неожиданный результат. Всего ученые нашли 40 485 фрагментов ДНК бактерии B. cuenoti. В зависимости от вида насекомого их число варьировалось от 93 до 4900. Для сравнения: до этого максимальное число горизонтально перенесенных генетических элементов, найденных у эукариот, не превышало 300. Таким образом, речь идет о рекордно крупном случае подобного обмена генетическим материалом.
Некоторые из найденных вставок, судя по анализу, появились еще на ранних этапах эволюции тараканов. Авторы работы предполагают, что часть этих фрагментов могла сохраняться в геномах не менее 28,7 млн лет. Такая долговечность может означать, что вставки выполняют определенные функции, хотя пока это не доказано.
Обычно гены передаются по наследству от одного поколения к другому. При горизонтальном переносе все происходит иначе: клетки разных видов находятся настолько близко, что один организм может включить в свой геном фрагменты ДНК другого. В данном случае, как предполагают исследователи, клетки тараканов поглощали свободные участки бактериальной ДНК.
Для организма, который получает такие вставки, это теоретически может стать источником новых возможностей. Геном со временем может стать более гибким и устойчивым, если заимствованные элементы окажутся полезными. Но биологи подчеркивают: пока неизвестно, приносят ли найденные фрагменты тараканам реальную пользу. Не исключено, что многие из них вообще не выполняют заметной функции или даже немного вредят, но недостаточно сильно, чтобы естественный отбор их устранил.
Исследователи отмечают, что длительное сохранение большого числа вставок может объясняться тремя вариантами: они приобрели функциональную роль в генах или межгенных областях, оказались по сути нейтральными или наносят лишь слабый вред. Чтобы понять, какой из этих сценариев верен, потребуются дополнительные исследования.
Работа также показывает, что горизонтальный перенос генов у сложных организмов может быть гораздо более распространенным, чем считалось ранее. По мере развития методов анализа ученые все чаще находят подобные примеры не только у бактерий, но и за их пределами. Поскольку многие животные живут в тесном симбиозе с бактериями, подобный обмен ДНК, возможно, встречается в природе намного чаще.
Следующим шагом станет изучение других видов, связанных с обязательными бактериальными симбионтами, а также более глубокий анализ самого генома тараканов. Ученые хотят выяснить, выполняет ли хотя бы часть из 40 485 заимствованных фрагментов какую-либо полезную функцию. Если это подтвердится, исследование поможет лучше понять, как горизонтальный перенос генов влияет на эволюцию геномов и формирование новых адаптаций у животных.
Средство от тараканов неожиданно нашли в теле самого длинного в мире животного
Тараканы обнимаются, чтобы выжить: биологи заметили необычную адаптацию
Ученые проверили миф о выживаемости тараканов после ядерного апокалипсиса
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX