Секрет тысячелетней жизни: ученые расшифровали геном вельвичии — самого необычного пустынного растения мира

Оглавление

• Основные положения
• Растение, не имеющее аналогов
• Что делает вельвичию такой особенной?
• Как проводилось исследование
• Геном вельвичии вкратце
• Древнее удвоение всего генома
• Прыгающие гены: взрыв ретротранспозонов
• Метилирование ДНК: эпигенетические секреты выживания
• Что означают эти открытия для науки
• Ограничения исследования
• Что дальше? Направления будущих исследований
• Часто задаваемые вопросы
• Информация об источнике

Основные положения

• Вельвичия — древнее пустынное растение, которое живет тысячи лет, имея всего два постоянно растущих листа.
• Ее геном более чем в два раза превышает размер человеческого генома и состоит преимущественно из повторяющихся последовательностей ДНК.
• Древнее удвоение всего генома около 86 миллионов лет назад обеспечило дополнительные гены, за которыми последовало уменьшение размера генома.
• У вельвичии наблюдается чрезвычайно высокий уровень метилирования ДНК в контексте CHH, возможно, самый высокий среди всех растений, что, вероятно, приводит к подавлению «прыгающих» генов.
• Полученные результаты могут способствовать будущему улучшению сельскохозяйственных культур для повышения устойчивости к засухе, однако необходимы функциональные эксперименты.

Растение, не похожее ни на одно другое

Когда Джозеф Далтон Гукер, директор Королевских ботанических садов в Кью (Великобритания) с 1865 по 1885 год, впервые столкнулся с вельвичией, он, как сообщается, заявил: «Это самое удивительное растение, когда-либо привезенное в эту страну, и одно из самых некрасивых».

Этот вердикт одного из самых уважаемых ботаников викторианской эпохи оказался remarkably устойчивым. Спустя более 150 лет вельвичия продолжает поражать ученых своим причудливым внешним видом, необычайной продолжительностью жизни и почти сверхъестественной способностью выживать в условиях, которые убили бы практически любое другое растение.

Этот вид произрастает только в Каоковелде — центре Африки, представляющем собой засушливое прибрежное пустынное пространство, охватывающее север Намибии и юг Анголы, где годовое количество осадков составляет менее 50 миллиметров (около 2 дюймов) в год. Он относится к отделу гнетовидных (Gnetophyta), древней линии голосеменных растений, которая также включает роды Gnetum и Ephedra. Генетические данные свидетельствуют о том, что вельвичия и гнетум разошлись от общего предка более 110 миллионов лет назад, в раннем меловом периоде, когда динозавры еще бродили по Земле. В слоях раннего мела в Бразилии был найден окаменелый сеянец вельвичии, Cratonia cotyledon, что подтверждает древнее происхождение этой линии.

Что делает вельвичию такой особенной?

Самой поразительной особенностью вельвичии является ее морфология: на протяжении всей своей жизни, которая может длиться несколько тысяч лет, растение производит всего два листа. Эти листья непрерывно растут из базального меристематического кольца (области активно делящихся клеток у основания), что ученые описывают как самые долгоживущие листья в растительном царстве.

Растение двудомное, то есть отдельные растения являются либо мужскими, либо женскими, и оба производят шишки для размножения. Недавние молекулярные данные предполагают наличие двух генетически и географически различных популяций, которые могут соответствовать подвидам.

На протяжении веков ученые спорили о том, какое место гнетовидные занимают на древе жизни. Их противоречивое филогенетическое положение, уникальные морфологические признаки и вымирание критически важных групп семенных растений подпитывали спекуляции. Однако современный консенсус, основанный преимущественно на последовательностях генов, заключается в том, что гнетовидные более тесно связаны с хвойными, чем с другими голосеменными; эта гипотеза известна как гипотеза «Gnepine», «Gnecup» или «Gnetifer».

Как проводилось исследование

Чтобы раскрыть генетическую основу удивительной биологии вельвичии, международная группа исследователей — возглавляемая учеными из Китайской академии наук, Гентского университета (Бельгия), Университета королевы Марии в Лондоне и Исследовательского и учебного центра Гобабеп (Намибия) — провела комплексный геномный анализ.

Они объединили две мощные технологии секвенирования для сборки генома вельвичии:

• Секвенирование Oxford Nanopore с покрытием 108× (технология длинных чтений, позволяющая считывать очень длинные участки ДНК)
• Секвенирование Illumina с покрытием 134× (технология коротких чтений, известная высокой точностью)

Этот двойной подход позволил команде создать сборку на уровне хромосом, состоящую из 6,86 гигабаз (Гб) ДНК — это 6,86 миллиарда пар оснований, что покрывает 98% от оценочного размера генома в 7,0 Гб. Для сравнения: размер человеческого генома составляет около 3,2 Гб, поэтому геном вельвичии более чем в два раза больше нашего.

Исследователи также создали улучшенную высококачественную сборку генома Gnetum montanum (далее «гнетум»), родственного гнетовидного растения, используя платформы 10× Genomics и BioNano Genomics для удлинения скаффолдов предыдущей сборки. Это позволило провести прямое сравнение между двумя линиями.

Для привязки и упорядочивания последовательностей ДНК в хромосомы команда использовала оптическое картирование и карты Hi-C (контактов хромосом), в конечном итоге создав 21 псевдохромосому для вельвичии и 22 для гнетума. Эти псевдохромосомы представляют 93,65% (6,43 Гб) сборки вельвичии и 86,47% (3,57 Гб) сборки гнетума.

В геноме вельвичии было предсказано всего 26 990 генов, кодирующих белки, из которых 89,11% были подтверждены данными транскриптома секвенирования РНК из различных тканей или путем ортологии с генами других видов. Анализ BUSCO — стандартный бенчмарк для оценки полноты сборки генома — показал, что 83,47% генов были восстановлены. Для гнетума улучшенная сборка показала существенное улучшение по сравнению с предыдущим релизом: длина N50 скаффолдов составила 157,93 Мб, было идентифицировано 27 354 гена и восстановлено 84,6% генов BUSCO.

Помимо секвенирования генома, исследователи провели обширный анализ метилома (паттернов метилирования ДНК — химической модификации, которая может включать или выключать гены) и транскриптома (полного набора РНК-транскриптов) в различных типах тканей, включая базальный меристематический пояс и молодые листья как дикорастущих, так и выращенных в теплице растений.

Геном Вельвичии вкратце

Собранный геном Вельвичии примечателен несколькими аспектами. Самая длинная хромосома составила приблизительно 551,97 Мб — это в 3,3 раза больше длины самой короткой хромосомы. Это наблюдение согласуется с предыдущими цитогенетическими исследованиями, показавшими, что у Вельвичии телоцентрические хромосомы (хромосомы, у которых центромера расположена очень близко к концу), которые значительно различаются по общей длине.

Возможно, самым поразительным открытием является огромное количество повторяющейся ДНК. Потрясающие 86,85% генома Вельвичии состоят из повторяющихся элементов, распределенных по всем хромосомам. Наиболее распространенными повторами являются ретротранспозоны с длинными концевыми повторами (LTR-RT) — тип «прыгающих генов», которые копируют себя и встраиваются в другие места генома, — которые сами по себе составляют 55,26% генома.

Интересно, что, в отличие от многих других растительных геномов, у Вельвичии нет признаков того, где находятся центромерные регионы, исходя из плотности повторов, и отсутствуют субтеломерные тандемные повторы, которые встречаются у Гнетума.

Древнее удвоение всего генома

Одно из самых важных открытий касается эволюционной истории генома. Проанализировав распределение синонимичных замещений на синонимичный сайт (K_S) — молекулярных часов, измеряющих степень расхождения дублированных генов, исследователи обнаружили четкие доказательства древнего события удвоения всего генома (WGD), уникального для Вельвичии.

Простыми словами, удвоение всего генома означает, что в какой-то момент в прошлом весь генетический материал растения был дублирован, предоставив обширный резерв дополнительных генов, которые эволюция могла перепрофилировать для новых функций. Известно, что такие события стимулировали крупные эволюционные инновации у растений.

Данные показали:

• Пик дублированных генов со значением K_S, близким к 1, что указывает на относительно древнее событие удвоения
• 198 пар паралогов (дублированных генов, происходящих от одного предкового гена), расположенных в 47 коллинеарных дублированных регионах
• Дополнительные 773 паралогичных гена в 222 синтетических регионах (регионах, где паралоги сохранены, но порядок генов нарушен)

Сравнения между видами предоставили еще более сильные доказательства. При сравнении двух геномов гнетовых исследователи выявили 21 геномный сегмент у Гнетума, каждый из которых соответствует двум ортологичным сегментам у Вельвичии — паттерн, ожидаемый, если бы геном Вельвичии был удвоен целиком, а геном Гнетума — нет.

Абсолютное датирование события WGD поместило его примерно на 86 миллионов лет назад, с 90% доверительным интервалом 78–96 миллионов лет назад. Это совпадает с поздним меловым периодом, временем крупных геологических и климатических потрясений.

Несмотря на WGD, геном Вельвичии относительно мал для голосеменного растения. При размере ~6,8 Гб он составляет лишь около одной трети среднего размера генома 18 Гб/1C, рассчитанного по 421 виду голосеменных. Это предполагает, что хотя Вельвичия пережила удвоение генома, она также претерпела значительное уменьшение его размера — этот вопрос исследователи изучали далее через анализ ретротранспозонов.

Прыгающие гены: взрыв активности ретротранспозонов

Ретротранспозоны — это генетические элементы, которые могут «копировать и вставлять» себя по всему геному, и они являются основными драйверами размера генома и эволюции. Анализ исследователей выявил увлекательную недавнюю главу в геномной истории Вельвичии.

Измерив расхождение между соседними 5′ и 3′ LTR (длинными концевыми повторами) одного и того же ретротранспозона, они обнаружили всплеск активности LTR-RT в последние 1–2 миллиона лет. Эта недавняя активность включала как:

• Автономные элементы (которые кодируют белки, необходимые для их собственной мобилизации): 13 893 копии Ty1-copia и 9 999 копии Ty3-gypsy
• Неавтономные элементы (которые лишены этих белков и должны «заимствовать» их у автономных элементов): 10 589 копий

Такой паттерн недавних всплесков неавтономных элементов наблюдался у двух видов покрытосеменных (Camellia sinensis и Oryza species) и может быть распространенным явлением, которое становится более заметным по мере улучшения качества сборки генома. Гипотеза заключается в том, что неавтономные ретротранспозоны могут подавлять частоту ретротранспозиции полных элементов, конкурируя за белки, необходимые для амплификации.

Эволюционный анализ генов обратной транскриптазы (RT) полных ретротранспозонов у Welwitschia, Gnetum, Amborella trichopoda (далее — Amborella) и Ginkgo biloba (далее — Ginkgo) показал, что у Welwitschia отсутствуют многочисленные видоспецифичные кластеры повторов. Вместо этого несколько глубоко расходящихся кластеров содержали элементы как Welwitschia, так и Gnetum, а иногда и Amborella. Это резко контрастирует с Ginkgo, у которого имеется множество видоспецифичных кластеров, возникших в результате пиков активности около 15 миллионов лет назад, и которое обладает значительно большим количеством полных автономных элементов (4237), чем другие виды.

Соотношение одиночных LTR (остатков событий рекомбинации) к интактным LTR было заметно выше у Welwitschia:

• Welwitschia: 3,87 (4610 одиночных LTR : 1191 интактных LTR)
• Gnetum: 2,07 (971 : 470)
• Amborella: 2,35 (214 : 91)
• Ginkgo: 4,26 (60623 : 14128)

Одиночные LTR образуются в результате рекомбинации ДНК с вырезанием, при которой удаляется внутренняя часть ретротранспозона, что приводит к уменьшению размера генома. Более высокая частота одиночных LTR у Welwitschia по сравнению с Gnetum указывает на повышенную скорость удаления ретроэлементов за счет рекомбинации — механизм, который помогает объяснить, как Welwitschia сохраняет относительно компактный геном, несмотря на древнее удвоение всего генома (WGD) и недавние всплески активности ретротранспозонов.

Метилирование ДНК: эпигенетические секреты выживания

Помимо статичной последовательности ДНК, исследователи изучали эпигеном — в частности, паттерны метилирования ДНК, химической метки, присоединяемой к ДНК и влияющей на активность генов без изменения самой последовательности. Это особенно актуально, поскольку Welwitschia живет тысячелетиями, и эпигенетические механизмы, вероятно, помогают растению реагировать на стресс окружающей среды в течение его чрезвычайно долгой жизни.

Анализ метилирования, проведенный в рамках исследования, выявил несколько поразительных результатов:

Во-первых, общий уровень метилирования в контекстах последовательностей CG и CHG (где H обозначает A, T или C) был очень высоким как в меристемах, так и в листьях, достигая в среднем 78,32% для CG и 76,11% для CHG от общего числа цитозинов. Эти значения схожи с таковыми у хвойного дерева ели обыкновенной (Picea abies), но значительно выше, чем обычно сообщается для покрытосеменных растений, у которых в среднем метилировано около 50% цитозинов.

Во-вторых, и наиболее примечательно, средний уровень метилирования цитозинов в контексте CHH составлял 35,7% как в ткани меристемы, так и в листьях. Авторы описывают это как «значительно более высокое значение, чем ранее сообщалось для покрытосеменных и голосеменных растений», и потенциально как самое высокое зарегистрированное на сегодняшний день значение для любого растения. Для сравнения:

• Анализ 34 видов покрытосеменных растений показал, что 85% имели уровень метилирования CHH ниже 10%, при этом самое высокое значение составило 18,8% у сахарной свеклы (Beta vulgaris)
• У ели обыкновенной только около 1,5% цитозинов в триплетах CHH были метилированы в культурах in vitro

В-третьих, уровни метилирования CHH сильно варьировали между тканями. Уровни были последовательно ниже в листьях (24%), чем в базальных меристемах, но даже внутри меристем наблюдались существенные различия между растениями, собранными в дикой природе (58,72%), и растениями, выращенными в теплице (31,42%). Это указывает на то, что условия окружающей среды сильно влияют на паттерны метилирования, а высокое метилирование у диких растений может отражать реакцию на суровую пустынную среду.

В-четвертых, дифференциально метилированные участки (DMR) в сайтах CHH были преимущественно сконцентрированы в интергенных областях (участках между генами) и транспозонных элементах. Из участков, различающихся по метилированию между особями, более 97% сайтов находились в интергенных областях, а 89% из них — внутри транспозонных элементов. Это важно, поскольку метилирование транспозонных элементов является хорошо известным механизмом защиты, который удерживает эти «прыгающие гены» в неактивном состоянии, предотвращая их способность вызывать вредные мутации путем вставки в функциональные гены.

Исследователи также проанализировали гены, участвующие в пути РНК-направленного метилирования ДНК (RdDM) — молекулярный аппарат, который устанавливает и поддерживает метилирование ДНК. Большинство этих генов показало повышенную транскрипционную активность в меристематических тканях по сравнению с молодыми листьями, что указывает на активную регуляцию аппарата метилирования в зонах роста растения.

Что означают эти результаты для науки

Это исследование предоставляет первую сборку генома Welwitschia на уровне хромосом и дает глубокие представления о биологии экстремальной долголетия и толерантности к стрессу у растений.

Сочетание древнего удвоения всего генома (WGD) и видоспецифичного уменьшения размера генома рисует картину генома, сформированного как силами расширения, так и сокращения на протяжении 86 миллионов лет эволюции. WGD, вероятно, обеспечил дублированные гены, которые могли приобретать новые функции, в то время как повышенная частота образования одиночных LTR помогла предотвратить неконтролируемое разрастание генома.

Исключительно высокий уровень CHH-метилирования — самый высокий среди всех известных растений — указывает на то, что эпигенетическое молчание транспозонных элементов имеет особое значение для Welwitschia. Поддерживая контроль над этими геномными паразитами, растение может сохранять целостность своих функциональных генов на протяжении тысячелетий. Различия в уровне метилирования между дикорастущими растениями и экземплярами, выращенными в теплице, также свидетельствуют о том, что эпигенетические механизмы могут играть роль в способности растения акклиматизироваться к стрессовым условиям окружающей среды, включая резкие колебания температуры, дефицит питательных веществ и нехватку воды.

Изменения числа копий и/или экспрессии семейств генов и транскрипционных факторов — особенно R2R3MYB и SAUR (Small Auxin-Up RNA) — которые регулируют рост клеток, дифференцировку и метаболизм, вероятно, лежат в основе долголетия растения и его толерантности к стрессу. Именно такие гены могут стать мишенями для селекционеров растений и биотехнологов в усилиях по повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессовым факторам.

Ограничения исследования

Несмотря на комплексный характер данного исследования, в нем есть несколько ограничений, которые следует учитывать.

Во-первых, хотя сборка генома отличается высоким качеством, анализ BUSCO выявил 83,47% генов у Welwitschia, что означает, что часть геномного пространства не была охвачена. Это не является необычным для больших геномов, богатых повторами, но означает, что некоторые гены еще предстоит обнаружить.

Во-вторых, функция исключительного уровня CHH-метилирования до конца не объяснена. Исследователи сообщают о корреляциях, однако для установления причинно-следственной связи потребовалось бы экспериментальное подтверждение — например, путем манипулирования уровнем метилирования и наблюдения за последствиями.

В-третьих, исследование сравнивало паттерны метилирования в ограниченном количестве типов тканей и у небольшого числа особей. Существенные различия, наблюдаемые между дикорастущими растениями и экземплярами, выращенными в теплице, указывают на важность влияния окружающей среды, однако размер выборки (7 биологически независимых образцов) является небольшим.

В-четвертых, точные механизмы, с помощью которых выявленные семейства генов (R2R3MYB, SAUR) и транскрипционные факторы способствуют долголетию и толерантности к стрессу, еще не были функционально охарактеризованы. Геномный анализ может выявить гены-кандидаты, но для подтверждения их роли необходимы прямые эксперименты.

Наконец, отмечается долгосрочная деаминация метилированных цитозинов, приводящая к формированию исключительно бедного GC-составом генома, однако полные последствия такого смещения нуклеотидного состава для функции и стабильности генома пока неясны.

Что дальше? Направления будущих исследований

Это новаторское исследование открывает множество направлений для будущих исследований:

1. Функциональная характеристика генов-кандидатов: Исследователям следует экспериментально проверить роль R2R3MYB, SAUR и других выявленных семейств генов в росте клеток, долголетии и толерантности к стрессу, потенциально используя модельные растения, такие как Arabidopsis, в качестве тестовых систем.
2. Популяционная геномика: Поскольку выявлены две генетически и географически различные популяции Welwitschia, сравнительные популяционные исследования могут выявить текущие процессы адаптации и генетическое разнообразие внутри вида — информацию, критически важную для планирования мер по сохранению.
3. Эпигенетические исследования в различных условиях: Заметные различия в CHH-метилировании между дикорастущими растениями и экземплярами, выращенными в теплице, требуют проведения масштабных исследований, изучающих, как паттерны метилирования изменяются в зависимости от условий окружающей среды, сезонов года и возраста растения.
4. Применение в охране природы: Понимание генетических и эпигенетических основ адаптаций Welwitschia может помочь в разработке стратегий сохранения этого уязвимого вида перед лицом изменения климата и нарушения среды обитания.
5. Улучшение сельскохозяйственных культур: Гены и регуляторные механизмы, обеспечивающие экстремальную засухоустойчивость и долголетие Welwitschia, потенциально могут быть использованы для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессовым факторам.
6. Сравнительная геномика среди гнетовых: Улучшенная сборка генома Gnetum предоставляет ценный ресурс для дальнейших сравнительных исследований в пределах этой древней и загадочной линии растений.

Часто задаваемые вопросы

Что такое Welwitschia и почему она столь необычна?

Welwitschia — это пустынное растение, которое живет тысячи лет и растет всего с двумя листьями, которые никогда не перестают удлиняться. Оно выживает при количестве осадков менее 50 миллиметров в год в пустыне Каоковвелд на территории Намибии и Анголы. Ученые считают его одним из самых необычных растений на Земле.

Что такое прыгающие гены и какую роль они сыграли в жизни велвичии?

Прыгающие гены, или ретротранспозоны, — это последовательности ДНК, способные копировать себя и вставлять эти копии в другие участки генома. У велвичии наблюдался всплеск их активности в последние 1–2 миллиона лет. Эти элементы составляют более половины её генома и способствуют его большому размеру.

Что такое метилирование ДНК и почему оно было примечательно у велвичии?

Метилирование ДНК — это химическая модификация, которая может включать или выключать гены без изменения самой последовательности ДНК. У велвичии были обнаружены чрезвычайно высокие уровни специфического типа метилирования, называемого CHH-метилированием, возможно, самые высокие среди всех известных растений. Это может помогать подавлять активность прыгающих генов и защищать растение на протяжении его долгой жизни.

Как генетика велвичии может помочь в улучшении сельскохозяйственных культур?

Исследователи выявили гены и регуляторные механизмы, которые могут лежать в основе экстремальной засухоустойчивости и долголетия велвичии. Среди них — определенные семейства генов, такие как R2R3MYB и SAUR, контролирующие рост клеток и реакции на стресс. В будущем ученые смогут использовать эти данные для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессовым условиям.

Каковы были ограничения данного исследования генома?

Сборка генома охватила около 83% ожидаемых генов, поэтому некоторые гены остаются невыявленными. Были обнаружены высокие уровни CHH-метилирования, однако экспериментальное подтверждение их функции отсутствует. Было изучено лишь небольшое количество образцов и тканей, а роль многих генов-кандидатов не была проверена напрямую.

Стоит ли мне получить второе мнение по результатам секвенирования генома моего растения?

Если вы получили результаты секвенирования генома растения, такого как велвичия, и рассматриваете их значение для сохранения видов или научных исследований, второе мнение может помочь подтвердить точность сборки генома и интерпретацию сложных особенностей, таких как полногеномные дупликации и активность транспозонных элементов. Независимые эксперты могут проанализировать исходные данные секвенирования и биоинформатические анализы, чтобы убедиться в обоснованности выводов о механизмах долголетия и устойчивости к стрессу. Diagnostic Detectives Network предоставляет независимые экспертные вторые мнения.

Информация об источнике

Original Article: "The Welwitschia genome reveals a unique biology underpinning extreme longevity in deserts"

Authors: Tao Wan, Zhiming Liu, Ilia J. Leitch, Haiping Xin, Gillian Maggs-Kölling, Yanbing Gong, Zhen Li, Eugene Marais, Yiying Liao, Can Dai, Fan Liu, Qijia Wu, Chi Song, Yadong Zhou, Weichang Huang, Kai Jiang, Qi Wang, Yong Yang, Zhixiang Zhong, Ming Yang, Xue Yan, Guangwan Hu, Chen Hou, Yingjuan Su, Shixiu Feng, Ji Yang, Jijun Yan, Jinfang Chu, Fan Chen, Jinhua Ran, Xiaoquan Wang, Yves Van de Peer, Andrew R. Leitch, and Qingfeng Wang

Journal: Nature Communications (2021), Volume 12, Article 4247

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24528-4

Institutions: Wuhan Botanical Garden (Chinese Academy of Sciences), Fairy Lake Botanical Garden, Royal Botanic Gardens Kew, Gobabeb Research and Training Centre (Namibia), Ghent University, Queen Mary University of London, and collaborating institutions in China and South Africa.

Примечание: Эта статья, написанная понятным языком для пациентов, основана на рецензируемых научных исследованиях, опубликованных в журнале Nature Communications. Она предназначена для широкой аудитории и не является медицинской рекомендацией. Оригинальное исследование доступно по ссылке DOI выше.