Как дупликация геномов помогла злакам диверсифицироваться и процветать

Злаки покрывают около 40% поверхности суши Земли, процветая в самых разных условиях. Эволюционный успех этого семейства растений, включающего рис, кукурузу, пшеницу и бамбук, вероятно, является результатом истории дупликаций целых геномов, согласно новому анализу, проведенному биологами из Университета Пенсильвании.

Исследовательская группа сравнила геномы более 350 разнообразных видов злаков, реконструируя, как мог выглядеть геном их общего предка.

Они предоставили информацию о крупномасштабной дупликации генов для известной дупликации всего генома, общей для всех злаков — события, называемого rho, в результате которого клетки предкового злака содержали две копии генетической информации организма.

Команда также выявила дополнительные, более поздние дупликации целых геномов в конкретных линиях и отследила, какие дублированные гены были сохранены или утеряны у отдельных видов. По мнению исследователей, это могло способствовать диверсификации злаков.

"Разные виды организмов иногда могут скрещиваться и давать потомство — процесс, называемый гибридизацией", — пояснил руководитель исследования Хонг Ма.

"У растений гибридизация происходит гораздо чаще, и получившиеся гибриды могут выживать и размножаться, что делает дупликации целых геномов более распространенными".

Когда дупликация всего генома происходит в результате гибридизации, получившееся растение будет иметь две копии всех генов. Дублированные гены могут немного отличаться, так как происходят от двух разных видов, но поскольку необходима только одна копия, вторая считается избыточной. Это позволяет ей эволюционировать с меньшим риском негативных последствий.

"Дублированные гены часто являются сырьем для эволюционной адаптации", — отметил Ма.

В предыдущих исследованиях команда Ма построила более полную филогению (родословное древо) злаков. Это позволило им проследить пары дублированных генов у родственных видов, увидеть, где они были утеряны, сохранены или эволюционировали.

"Это что-то вроде молекулярной палеонтологии", — сказал Ма.

Чтобы лучше понять общую для всех злаков дупликацию rho, команда выявила гены, вовлеченные в адаптацию к окружающей среде, которые по-разному сохранялись среди подсемейств злаков. К ним относятся:

• Ген адаптации к водной среде у риса.
• Ген адаптации к холоду в подсемействе, включающем пшеницу, ячмень, овес и рожь.
• Ген быстрого роста клеток у бамбука.
• Ген реакции на засуху у кукурузы.

Команда также идентифицировала девять ранее неизвестных событий дупликации целых геномов среди отдельных линий злаков.

"Злаки были чрезвычайно успешны в колонизации самых разных сред по всему миру", — заключил Ма.

"С нашим улучшенным пониманием взаимоотношений между злаками мы можем увидеть, насколько важны были события дупликации целых геномов для этого успеха, и начать определять гены, сохраненные или утерянные у отдельных видов, которые позволили этой диверсификации произойти".

Эта информация также может помочь направлять усилия по селекции сельскохозяйственных растений, чтобы использовать естественные адаптации, позволяющие злакам процветать в столь разнообразных условиях.