У многих сельскохозяйственных растений геном содержит вдвое больше ДНК, чем кажется необходимым. Пшеница, хлопок и ряд садовых культур давно прошли через удвоение полного набора генетического материала и при этом продолжили нормально развиваться.
Однако такое «избыточное» состояние не сохраняется в неизменном виде. На протяжении миллионов лет геномы постепенно перестраиваются: лишние копии генов исчезают, хромосомы сливаются, а общее число постепенно возвращается к более устойчивому уровню.
Новое исследование показало, что этот процесс у одного дикорастущего растения идет не хаотично, как предполагалось раньше, а по вполне закономерному сценарию. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Полное удвоение генома называется полиплоидией и широко распространено среди растений. Этот механизм считается одним из ключевых факторов их эволюции и характерен как для культурных видов вроде пшеницы и хлопка, так и для множества диких растений.
Со временем «лишние» генетические копии начинают исчезать. Происходит постепенное упорядочивание генома, при котором он теряет дубликаты и сокращает число хромосом. Этот процесс называют редиплоидизацией — возвращением к состоянию, близкому к исходному.
Чтобы проследить, как именно это происходит, группа под руководством профессора Мартина А. Лисака изучила средиземноморское растение щитовник (Biscutella), известное своими характерными плоскими семенными стручками.
Исследовательская группа из Центрально-европейского технологического института (CEITEC) при Университете Масарика в Брно занимается анализом того, как перестраиваются растительные хромосомы в ходе эволюции.
Все виды горчицы щитовидной происходят от общего древнего гибрида. Примерно 11 миллионов лет назад два родственных вида объединились в предковую форму с 14 парами хромосом, получив восемь наборов от одного родителя и шесть от другого.
От этого исходного генетического состояния произошло дальнейшее разнообразие. Команда Лисака построила геномные карты для восьми видов. Их ДНК-структуры содержали от 0,6 до 1,1 миллиарда нуклеотидов и включали шесть, восемь или девять пар хромосом.
Сокращение числа хромосомных пар с 14 до девяти, восьми или шести происходило за счет утраты и перестройки хромосом. При этом большинство дублированных генов также исчезало, оставалась только одна функциональная копия.
Механизмы перестройки отличались у разных линий. Каждая из них шла собственным путем слияний и обменов участками хромосом, но в итоге разные эволюционные траектории приводили к одинаковому числу хромосом.
Подобные независимые перестройки уже фиксировались в других исследованиях. По данным обзорных работ, почти все наземные растения в прошлом пережили удвоение генома, после чего снова пришли к более стабильной структуре. В случае щитовника особенно важным оказался фактор времени.
На ранних этапах эволюции перестройки происходили очень активно — до пяти изменений на миллион лет. Позднее темп снижался примерно до одного события за миллион лет, что указывает на стабилизацию генома.
При анализе разных линий ожидалось, что разрывы в хромосомах будут распределены случайно. Однако при картировании точек разлома выяснилось, что многие из них повторяются в одних и тех же местах — всего 14 основных участков.
Эти зоны оказались неравномерно распределены по длине хромосом и часто совпадали с границами между функциональными участками ДНК. Внутри клетки геном организован в виде сложной пространственной структуры с петлями и зонами разной активности, и именно на стыках таких областей чаще всего происходили разрывы.
Похожие закономерности ранее наблюдались у других организмов, включая плодовых мушек, где хромосомы также склонны ломаться в схожих участках. Однако для целого рода растений подобный масштаб анализа проведен впервые.
Точные причины повышенной уязвимости этих зон пока не установлены. Исследователи предполагают, что разрывы на границах структурных петель могут наносить меньший ущерб, поскольку затрагивают меньше регуляторных элементов, управляющих активностью генов.
Изменения затронули не только структуру хромосом, но и отдельные гены. Часть из них, отвечающих за форму цветков и плодов, была утрачена или перестала работать, что указывает на ослабление давления естественного отбора на эти признаки.
Само название щитовника связано с характерными плоскими стручками, а представители группы демонстрируют большое разнообразие форм плодов. Полученные данные позволяют предположить, что такие изменения могли способствовать этому разнообразию, хотя это остается лишь гипотезой.
Многие современные сельскохозяйственные культуры также проходят стадию последующей «настройки» после древнего удвоения генома. Понимание того, где именно в структуре ДНК происходят разрывы, помогает исследователям объяснить неожиданные перестройки у культурных растений.
В итоге работа показывает, что разрушение и перестройка генома после его удвоения не является случайным процессом. В линиях щитовника одни и те же участки хромосом снова и снова становились точками разрыва на протяжении миллионов лет.
Ранее подобные изменения рассматривались как случайная «перетасовка» генома. Теперь щитовник стал наглядным примером того, что архитектура ДНК сама направляет эволюционные перестройки.
Это открывает для генетиков новый подход к изучению эволюции растений: место будущих разрывов частично задается самой организацией генома, и этот принцип может быть применим к другим видам.
