Дополнительные копии генетических инструкций могли сыграть ключевую роль в выживании цветковых растений во время массовых вымираний, включая катастрофу, приведшую к исчезновению динозавров. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале Cell.
Работа показывает, что покрытосеменные растения — к ним относятся маргаритки, злаки и плодовые деревья — могли переживать масштабные экологические потрясения благодаря случайному дублированию геномов. Обычно наличие лишних копий генетического материала считается недостатком, однако в условиях кризиса оно могло стать фактором выживания и дальнейшего доминирования этой группы растений.
В норме живые организмы, размножающиеся половым путем, получают по две копии хромосом — от каждого из родителей. У растений, особенно у покрытосеменных, часто встречается большее число копий, что называют полиплоидией. Она возникает из-за ошибок деления генетического материала в половых клетках. Так, картофель и некоторые сорта пшеницы имеют четыре набора хромосом, а у отдельных видов их может быть восемь и более.
По данным Хенгчи Чена из Гёттингенского университета в Германии, около трети современных покрытосеменных относятся к полиплоидным растениям. При этом анализ древних этапов эволюции показывает, что более старые случаи дублирования генома встречаются редко.
«Большинство полиплоидных организмов вымерли в ходе длительной эволюции», — отметил Чен.
Он и его коллеги изучили причины исчезновения одних дупликаций и закрепления других. В исследование вошли геномы 470 видов покрытосеменных, на основе которых было построено эволюционное древо. За примерно 150 миллионов лет ученые зафиксировали 132 древних случая дублирования генома.
Эти события сгруппировались в девять временных периодов, охватывающих интервал от 108 до 14 миллионов лет назад. Почти все они совпали с крупными природными изменениями — колебаниями климата, уровня кислорода и массовыми вымираниями, включая падение астероида в конце мелового периода, уничтожившее нептичьих динозавров. В такие периоды полиплоидные растения демонстрировали повышенную успешность.
В обычных условиях полиплоидия может снижать жизнеспособность растений, замедлять рост и затруднять скрещивание с близкими видами без дополнительных копий хромосом. Однако в условиях нестабильной среды эти недостатки могли компенсироваться рядом преимуществ.
Хенгчи Чен отметил, что экстремальные температуры, как жара, так и холод, могли повышать частоту сбоев при размножении, что способствовало появлению полиплоидных форм. Кроме того, такие растения часто обладают большей устойчивостью к засухе и засолению, а дополнительные гены получают возможность формировать новые функции в быстро меняющихся условиях. Освобождение экологических ниш также играло роль, так как часть конкурентов исчезала.
«Изначально малочисленная полиплоидная особь, скрытая внутри популяции, получает доступ к большему числу ресурсов и может иметь преимущество в стрессовых условиях», — пояснил Чен.
По его словам, именно избыточность генетического материала могла стать одним из факторов успеха покрытосеменных как группы.
Памела Солтис из Музея естественной истории Флориды в Гейнсвилле отметила, что результаты могли бы измениться при расширении выборки. По ее словам, 470 видов — лишь небольшая часть общего разнообразия покрытосеменных, число которых приближается к 400 тысячам. При этом новые геномы продолжают поступать в базы данных очень быстрыми темпами.
