Вчені розгадали таємницю дерева, геном якого не змінився з часів динозаврів

Вважалося, що сосна Воллемі вимерла 2 мільйони років тому, поки її не знову відкрила група туристів у 1994 році. Тепер вчені розшифрували її геном, щоб зрозуміти, як вона збереглася — майже незмінною — з часів динозаврів. У 1994 році туристи виявили групу дивних дерев, що росли в каньйоні в національному парку Воллемі, приблизно за 60 миль (100 кілометрів) на захід від Сіднея, Австралія. Один турист повідомив натураліста паркової служби, який потім показав зразки листя ботаніку. Зрештою було встановлено, що вони представляють стародавній вид, який, по суті, був заморожений у часі з того часу, як динозаври бродили по Землі. 

Сосна Воллемі (Wollemia nobilis), яку дехто називає «живою скам’янілістю», майже ідентична збереженим останкам, датованим крейдяним періодом (від 145 до 66 мільйонів років тому). Зараз у дикій природі існує лише 60 таких дерев — і їм загрожують лісові пожежі в регіоні. Вважалося, що вони вимерли приблизно 2 мільйонів років тому. 

Тепер вчені з Австралії, Сполучених Штатів та Італії розшифрували його геном, проливаючи світло на його унікальну еволюцію та репродуктивні звички, а також допомагаючи зусиллям щодо збереження. Стаття була розміщена в базі даних препринтів bioRxiv 24 серпня і не була рецензована.

Сосна має 26 хромосом, що містять приголомшливі 12,2 мільярда пар основ. Для порівняння, люди мають лише близько 3 мільярдів пар основ. Незважаючи на розмір свого геному, сосни Воллемі мають надзвичайно низьку генетичну різноманітність, що свідчить про вузьке місце (коли популяція різко скоротилася) приблизно 10 000-26 000 років тому. 

Дійсно, рослини не обмінюються великим генетичним матеріалом. Схоже, що решта дерев розмножуються в основному шляхом клонування через поросль — при цьому присоски виходять із основи і стають новими деревами.

Їхня рідкість може частково пояснюватися великою кількістю транспозонів або «стрибаючих генів» — ділянок ДНК, які можуть змінювати своє положення в геномі. Ці елементи також визначають розмір геному. «Найменший геном рослини та найбільший геном рослини мають майже однакову кількість генів. Великі відмінності у розмірі зазвичай походять від транспозонів», — сказав Джеральд Шенкнехт, програмний директор програми дослідження геному рослин Національного наукового фонду. Шенкнехт не брав участі в дослідженні, але NSF надав фінансування.

Коли транспозони переходять на нові місця, вони можуть змінювати послідовність «літер» у молекулі ДНК, таким чином викликаючи або змінюючи мутації в генах. Вони можуть нести з собою функціональну ДНК або змінювати ДНК у місці введення, і таким чином мати суттєвий вплив на еволюцію організму. 

Якщо транспозони викликали шкідливі мутації, вони могли сприяти скороченню популяції внаслідок зміни клімату та інших факторів, кажуть дослідники. Ці стресові умови могли змусити рослину перейти до клонального розмноження. Оскільки збільшення транспозонів корелює зі статевим розмноженням, зміна безстатевого розмноження могла зменшити потенційне впровадження шкідливих мутацій. Парадоксально, але хоча дерева все ще залежали від статевого розмноження, транспозони, можливо, зіграли певну роль у збільшенні генетичного різноманіття і таким чином принаймні тимчасово зробили їх більш стійкими до змін умов. 

“У 99% усіх випадків мутації, мабуть, не є гарною ідеєю”, – сказав Шенкнехт. «Але протягом мільйонів років той 1%, який допомагає, може просунути вид вперед. У цьому випадку це, можливо, було певною перевагою».

Розшифровка геному також виявила, чому сосна Воллемі, здається, сприйнятлива до хвороб — зокрема, до Phytophthora cinnamomi, патогенної водяної плісняви, яка викликає відмирання. Гени дерева, стійкі до хвороб, пригнічуються типом його власної РНК, яка пов’язана з розвитком ширшого листя. Сосни Воллемі, на відміну від більшості хвойних, мають широку хвою. 

Таким чином, еволюція ширшого листя могла призвести до придушення стійкості до хвороб і відкрила вид для патогенних загроз, які могли бути випадково відстежені мандрівниками, які незаконно відвідали захищене місце. P. cinnamomi поширений серед культурних рослин.

Хоча в дикій природі залишилося лише чотири невеликі популяції, сосни активно розмножують ботанічні сади та інші установи, щоб зберегти їх і вивчити їх унікальну біологію. Згідно з МСОП цей вид знаходиться під загрозою зникнення.  Таким чином, аналіз геному сосни Воллемі — це не просто наукова цікавість — він має серйозні наслідки для виживання виду.  Джерело