|
Биологи из группы геномики растений — неформальной коллаборации научных сотрудников Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича Российской академии наук и Сколковского института науки и технологий — впервые проанализировали геном борщевика Сосновского и выяснили, что он содержит вдвое больше генов, чем другие растения. Исследователи выяснили причину феноменально большого числа генов, а также определили функцию одного из них. Результаты работы опубликованы в PlantJournal. Мария Логачева, один из авторов статьи, рассказывает о целях, ходе и результатах исследования. |
 |
Почему мы решили исследовать геном борщевика Сосновского
Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) — инвазивное растение, широко распространившееся за пределы своей естественной среды обитания на Северном Кавказе. В середине прошлого века борщевик активно выращивался на северо-западе Европейской России в качестве кормовой культуры, откуда и начал свое распространение по всей России. Борщевик быстро растет и захватывает большие площади, подавляя местную флору. Более того, сок растения содержит фуранокумарины — вещества, повышающие чувствительность организма (чаще кожи и слизистых оболочек) к воздействию ультрафиолета и приводящие к ожогам при физическом контакте с борщевиком.
Мы задались вопросом, как борщевик Сосновского преодолел «парадокс инвазивности» (тот факт, что при интродукции происходит обеднение генетического разнообразия по сравнению с первичным ареалом, тогда как для успешного распространения в новом ареале желательно высокое генетическое разнообразие)? Чтобы это понять, необходимо было получить референсный геном, что и стало первоначальной задачей исследования. Наличие референсных геномных последовательностей облегчает биологический контроль инвазивных видов, в частности, идентификацию на основе ДНК, анализ популяционной структуры (в том числе возможной гибридизации с аборигенными видами), исследование взаимодействия с потенциальными вредителями и патогенами и создание видоспецифичных маркеров, позволяющих отличить борщевик Сосновского от близких видов.
В ходе работы над сборкой генома открылись новые грани, связанные с необычно большим числом генов в геноме. Мы проанализировали их профили экспрессии в различных частях растения и экспериментально показали функцию для одного из них.
Как проходило исследование
После того, как на секвенаторе были получены сырые данные, затем проведена сборка, проверка и коррекция генома, на этапе аннотации – разметке генома на гены — было получено неожиданно большое количество генов. Их оказалось около 55 тысяч, тогда как обычно у растений, которые не претерпели недавних полногеномных дупликаций, их сильно меньше — 25-35 тысяч. Был проведен ряд дополнительных расчётов, направленных на то, чтобы понять, не ошибка ли это, и если нет, то в чём причина такого большого количества генов?
Выяснилось, что причиной являются многочисленных тандемные дупликации, произошедшие у общего предка борщевика и некоторых других зонтичных. Тандемными дупликациями называют повторенные в геноме последовательности, лежащие рядом.
В состав такой последовательности может входить только один или несколько генов и межгенных участков. Это достаточно необычное явление, для растений гораздо более характерны и лучше изучены полногеномные дупликации, когда число копий увеличивается у всех участков генома, а не у отдельных сегментов. Многие из генных семейств, в которых произошло резкое увеличение числа генов, связаны с синтезом вторичных метаболитов, в том числе линейных фуранокумаринов (псоралена и его производных). Мы изучили и экспериментально показали функцию одного из таких генов — преобразование мармезина в псорален. Изучение генов, связанных с синтезом фуранокумаринов, открывает пути для управления этим процессом с помощью генной инженерии.
Какие методы применялись в работе
Центральными для данной работы методами являются полногеномное секвенирование и различные подходы сравнительной геномики. Помимо этого, мы использовали генную инженерию для создания дрожжей, экспрессирующих ген псорален-синтазы борщевика, и масс-спектрометрию для идентификации продуктов реакции.
Оптимизация сборки генома была проведена с помощью специальной программы MABS, написанной Михаилом Щелкуновым, сотрудником лаборатории №19 и первым автором статьи.
Соавторы работы (5 из 10): Денис Омельченко, Анна Клепикова, Михаил Щелкунов, Мария Логачёва, Алексей Пенин. Фото Софьи Прокопчук.
|
Михаил держит плакатик с надписью «Дорогой редактор, если вы сочтете нашу статью недостаточно значимой, то мы привезем и рассадим в вашей стране борщевик в 20 разных тайных местах, чтобы увеличить значимость» (шутка!) |
Дальнейшие планы Наша работа открывает путь для дальнейших генетических исследований борщевика Сосновского, которые важны для понимания закономерностей инвазии этого вредного растения. Мы планируем развивать работу с геномом борщевика в двух направлениях. Во-первых, это анализ генетического разнообразия этого вида в первичном (исходном) и вторичном (возникшем после инвазии) ареалах. С помощью коллег из Ботанического института им. В. Л. Комарова и других научных организаций, а также активистов движения по борьбе с борщевиком, мы собираем и анализируем образцы со всей России – от Калининграда до Дальнего Востока. Это позволит понять закономерности распространения этого вида, стратегии его инвазивности, выяснить, как соотносятся между собой борщевик Сосновского и близкие виды, в частности, активно распространяющийся в Западной Европе борщевик Мантегацци. |
|
Тут очень много вопросов. Возможно, это не разные виды, а один полиморфный вид? А может ли борщевик Сосновского гибридизировать с аборигенными видами? А что насчёт вида Heracleum pubescens, который считается эндемиком Крыма? Может быть, это не никакой не эндемик, а хорошо знакомый нам борщевик Сосновского, попавший в неподходящие для себя условия? Второе направление связано с генами, возникшими в результате тандемных дупликаций. В нынешней работе мы фокусировались только на одном гене – псорален-синтазы; в дальнейшем мы планируем более детально описать кластеры биосинтетических генов у борщевика и у других зонтичных, чтобы понять закономерности их возникновения и изменения и их вклад в биохимическое своеобразие борщевика. |
| 05.12.2023 | |