Бремя большого генома

Н.Л. Резник
Геном — это судьба. Причем участь организма — его внешний вид, физиологию и экологию — определяет не только качество ДНК, но и ее количество. Эту зависимость изучали, изучают и будут изучать. Интересно ведь измерить геном и сразу что-то узнать о его обладателе.

pic_2019_06_42.jpg
Уменьшается геном и у тропических мангровых деревьев, которые растут на границе между морем и сушей, в зоне приливов и отливов

Больших геномов мало

Сначала договоримся о терминах. Геном — это хромосомная ДНК. Однако в организме есть клетки с разным количеством хромосом: в гаплоидных клетках — одинарный набор, в диплоидных — двойной, в полиплоидных – наборов несколько. Половые клетки всегда гаплоидны, остальные клетки в организме животного обычно диплоидны, хотя бывают и редкие исключения: европейские съедобные лягушки, например, — триплоиды. Чаще всего полиплоидия встречается у растений. Когда речь заходит о размерах генома, то имеют в виду количество ДНК в гаплоидном клеточном ядре. ДНК у нас, как все помнят, — двухцепочечная молекула, двойная спираль, и снизана она из спаренных азотистых оснований нуклеотидов. Длину молекулы выражают в количестве этих пар, по-английски base pair. Отсюда пошли такие единицы измерения длины генома, как килобаза (Кб) — тысяча пар оснований, мегабаза (Мб) — миллион пар и гигабаза (Гб) — миллиард пар оснований. ДНК имеет вес, и размер генома можно также выразить в пикограммах (пг). Молекула длиной 978 Мб весит 1 пг (10-12 г).

У эукариот, то есть организмов, имеющих ядро (к ним относятся животные, растения, грибы и некоторые одноклеточные), размеры генома варьируют от 0,009 пг (около 9 Мб) у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae до 700 пг (675, Гб) у амебы Amoeba dubia. У человека всего 2,9 Гб (2,96 пг). Сейчас исследователи располагают данными о размерах геномов примерно 15 тысяч видов эукариот, из которых 12 тысяч приходится на наземные растения. Размеры растительных геномов различаются более чем в две с половиной тысячи раз. У других изученных групп — животных и простейших — различия в десятки и сотни раз меньше. Вот о геномах наземных растений (далее, для краткости, просто растений) у нас и пойдет речь.

Растения вышли на сушу 450–470 млн лет назад и образовали четыре большие группы, которые сохраняются по сей день. Это мхи; плауновидные — внешне они похожи на мхи, но у них уже есть настоящая сосудистая система; хвощи и папоротники; голосеменные (хвойные, гинкго и саговники) и покрытосеменные (цветковые) растения.

Самый маленький из известных геномов наземных растений принадлежит плотоядному бразильскому эндемику Genlisea tuberosa (0,06 пг, 61 Мб). Самый крупный геном также достался цветковым растениям. Японский вороний глаз — обладатель 148,8 Гб (152,2 пг) ДНК.

pic_2019_06_44.jpg
Paris japonica — обладатель самого большого генома среди наземных растений, а Genlisea tuberosa (справа) — самого маленького. На фотографиях показаны цветок генлисеи и целое растеньице, выкопанное из земли. Хорошо видны клубенек, из-за которого вид получил название tuberosa, и пучок подземных листьев.

Геномы наземных растений много лет исследуют специалист Королевских ботанических садов Кью (Великобритания) Илиа Лейч и ее коллеги. Ученые подразделяют геномы на очень маленькие (менее 3–5 пг), средние (менее 14 пг), большие (более 14 пг) и гигантские (более 35 пг). Большие и гигантские геномы у наземных растений встречаются очень редко, хотя в ходе эволюции они возникали не раз. Геномы крупнее 100 Гб есть у покрытосеменных и у папоротников. Однако распределение геномов по величине в этих группах различается. У покрытосеменных преобладают маленькие и средние геномы, а у папоротников даже самый мелкий из известных геномов (748 Мб у плавающего папоротника Azolla microphylla) примерно в десять раз больше, чем самый маленький геном покрытосеменных. Крупнейший и мельчайший геномы у папоротников различаются в 94 раза, а у покрытосеменных — в 2400 раз.

У голосеменных геномы в среднем крупнее, чем у других групп наземных растений, и распределение размеров более равномерное, нет резкого перекоса в сторону мелких и очень мелких. Средний размер генома голосеменных около 18 пг, а разница между самым большим и самым маленьким кратна 16.

Геном растет двумя путями: в результате полиплоидии — удвоения всего хромосомного набора, которое может происходить неоднократно, и накопления периодических повторов ДНК. Чаще всего это — последовательности ДНК (транспозоны), которые умеют себя копировать и встраивать копии в разные места генома, отчего он и увеличивается. Наряду с умножением числа транспозонов происходит их вырезание из генома, так что его итоговый размер зависит от интенсивности обоих процессов. Ученые предполагают, что разрастанию геномов существует естественный предел, который составляет около 150 Гб.

Но в целом мелкие геномы преобладают, причем не только у растений, но и у всех эукариот. Есть несколько гипотез, которые объясняют такой перекос. Двумя нас одарили американские исследователи, в команде которых выступает сотрудник Стэндфордского университета, молекулярный биолог и физик Дмитрий Александрович Петров. Он окончил Физтех, защитил диссертацию и уехал покорять Америку. Коллеги нередко критикуют его за категоричность суждений, не всегда подкрепленную фактами, однако Илиа Лейч с ним сотрудничает.

Петров и его коллеги проанализировали геномы 126 видов, принадлежащих к 20 основным систематическим группам эукариот, и пришли к выводу, что скорость изменения размера генома пропорциональна его величине, значит, именно большие геномы должны меняться быстрее. Если так, то они часто уменьшаются, а мелкие геномы редко увеличиваются. Потому-то мелких геномов гораздо больше, чем гигантских.

Помимо этой модели, исследователи предложили гипотезу «ограничений большого генома», которая основана на анализе геномов представителей 761 рода покрытосеменных растений. Чем больше геном, тем медленнее он удваивается, а пока вся ДНК не удвоится, клетка не поделится. Из-за этой неспешности крупногеномные растения растут и развиваются медленно. Большим геномам нужно много азота и фосфора, которые входят в состав нуклеиновых кислот, поэтому на бедных почвах виды с большим геномом не вырастут. И видообразование у них редко происходит. При этом ученые считают, что направленного отбора против больших геномов нет. Просто они сохраняются лишь в условиях, когда воды и питательных веществ достаточно и можно расти не торопясь.

Согласно гипотезе ограничений, крупных геномов мало, потому что избыток ДНК мешает растению расти, распространяться и специализироваться. Посмотрим, как эти положения реализуются на практике.

Большой геном не любит экстрима

Поскольку большой геном замедляет клеточное деление и рост растения, его размер влияет на адаптацию. Примером тому служат кукуруза и ее близкий дикий родственник теосинте. Индейцы издавна возделывали кукурузу и в долинах, и на больших высотах, а теосинте росла в горах еще 60 тысяч лет назад. Американские и немецкие исследователи под руководством профессора Калифорнийского университета в Дэвисе Джеффри Росса-Ибарры обнаружили, что чем выше растет кукуруза, тем меньше у нее геном. Так, у местных сортов кукурузы, растущих на побережье Центральной и Южной Америки, размер генома составляет около 3200 Мб, а на высоте 3000 м — всего 2700 Мб. Для теосинте наблюдается та же закономерность. Различия в размерах возникли за счет повторяющихся элементов. Наблюдая за ростом листьев кукурузы в лаборатории, ученые выяснили, что у растений с более крупным геномом клетки делятся медленнее, а скорость деления клеток негативно коррелирует со временем цветения. То есть крупногеномная кукуруза зацветает раньше, чем мелкогеномная. Весна приходит в горы позже, чем в долины, и цветки там должны распускаться позже, иначе они погибнут. Геномы высокогорной кукурузы измельчали, утратив некоторое количество повторов, и время ее цветения изменилось.

Уменьшается геном и у тропических мангровых деревьев, которые растут на границе между морем и сушей, в зоне приливов и отливов. Во время прилива мангровые леса затопляются морской водой, и деревьям приходится выдерживать высокую соленость, постоянные колебания уровня моря, тропическую жару и сильное ультрафиолетовое излучение. Для деревьев это маргинальная среда. Китайские исследователи из Университета Сунь Ятсена сравнили геномы четырех видов мангровых деревьев и 29 видов их близких родственников, ведущих «нормальную» жизнь. У некоторых из этих видов доля транспозонов в геноме приближается к 50%, а у мангровых деревьев не превосходит 10%. Максимальный размер мангрового генома — 1149 Мб, в то время как у их родственников средний размер генома составляет 1830 Мб, а максимальный — более 6000 Мб.

Экстремальные условия мангровых зарослей — не для больших геномов. Они предпочитают тучные поля, богатые азотом и фосфором, что и подтверждают наблюдения на старейшей в мире экспериментальной станции Ротамстед в Великобритании. В 1843 году Джон Беннет Лоус (1814–1900), владелец поместья Ротамстед, построил там первую в мире фабрику по производству искусственных удобрений. Подвигли его на это труды немецкого химика Юстуса фон Либиха (1803–1873) о сельскохозяйственной химии и азотных удобрениях. Но ученый свои изобретения не патентовал, а Лоус читал его статьи, изготавливал нитратные смеси и получал на них патенты. Чтобы испытывать новые удобрения, он и его партнер Джон Генри Гилберт и основали в Ротамстеде экспериментальную станцию. На ней растят не только сельскохозяйственные культуры. С 1856 года на овечьем пастбище площадью 2,8 га выращивают травы. Почва на пастбище была бедная и кислая. Экспериментаторы разделили его на участки и каждый удобряли определенной комбинацией минеральных или органических удобрений. Эксперимент «Парковая трава» — самое длительное непрерывное полевое исследование.

pic_2019_06_45.jpg
Фрагмент экспериментального поля «Парковая трава», на котором исследовали влияние удобрений на плоидность геномов. Снимок сделан в мае, обратите внимание на четкие границы участков, которые вызваны различиями в скорости роста.

Вот на это пастбище и пришла Илиа Лейч со своими коллегами из ботанических садов Кью и Лондонского университета Королевы Марии. На поле растет много видов, которые в естественных условиях имеют два или более уровня плоидности. В их число входят тысячелистник обыкновенный, лютик едкий, одуванчик лекарственный, некоторые злаки и бобовые. Оказалось, что полиплоидов больше на участках, удобренных азотом и фосфором. Средний размер геномов, имеющих несколько вариантов плоидности, составил 5,4 пг, а на контрольных, неудобренных участках — только 4 пг.

Поскольку крупногеномные растения такие неспешные и прихотливые, неудивительно, что они никудышные захватчики. Нашествие по-латыни — инвазия; инвазивным называют чужеродное растение, которое освоилось на новом месте и активно расширяет занимаемую территорию. Не всякое растение на это способно. Захватчики в целом выше, быстрее растут, плодовиты и успешно распространяются. Как правило, это однолетники, чаще злаки. У них крупные листья, эффективный обмен веществ, долгое цветение, они устойчивы к поеданию. Возможно, инвазивности благоприятствуют и небольшие геномы. У некоторых мелкогеномных растений чересчур маленькие семена, которые легко рассеиваются. У крупногеномных таких семян не бывает. Обладатели больших геномов — многолетники, они не так эффективно фотосинтезируют из-за меньшей плотности устьиц на листе и не растут на бедных почвах.

Если сравнить 128 наиболее известных инвазивных видов с неинвазивными представителями тех же родов, то окажется, что среди захватчиков чаще встречаются виды с геномами менее 1,4 пг, а геномов крупнее 14 пг нет совсем. Эта закономерность справедлива и для покрытосеменных растений, и для голосеменных (сосен), и даже для одноклеточных зеленых морских водорослей Caulerpa — благодаря сокращению размера генома три вида этого тропического рода прекрасно освоились в относительно прохладном Средиземном море.

В общем, обладатели мелких геномов могут быть сорными или инвазивными, хотя и не обязаны ими становиться, а для крупногеномных растений это поприще закрыто безоговорочно.

Если вид хочет освоить новые территории, он должен сократить геном. Европейский злак канареечник тростниковидный Phalaris arundinacea попал в Северную Америку и там прижился. У инвазивного канареечника геном меньше, чем у коренного европейского. Хотя разница невелика, всего 2,2%, ее оказалось достаточно, чтобы «новые американцы» стали расти быстрее. Специалисты Вермонтского университета, которые исследовали американский канареечник, полагают, что сокращение генома произошло в результате естественного отбора в ходе вторжения.

Бывают, однако, ситуации, когда растение оказывается в новых условиях, не сходя с места. Например — меняется климат. Ученые пока не знают, как повлияет размер генома на адаптацию растений к этим переменам. Если справедлива гипотеза ограничения крупных геномов, крупногеномные виды специализируются с трудом и риск исчезновения для них выше. Однако не будем забывать, что размер генома — не единственный механизм, который обеспечивает эволюционный успех.

Большому геному рот радуется

Выживание растения зависит не только от доступа к питательным веществам и благоприятного климата. Не будем забывать о травоядных. Влияет ли размер генома на пищевую привлекательность и поедаемость растений? Безусловно, да. С одной стороны, виды с геномами 25 пг — это медленно растущие многолетники. Такими растениями кролики, косули, коровы и другие травоядные интересуются меньше, чем быстрорастущими мелкогеномными видами. С другой стороны, в листьях крупногеномных видов больше азота, и они питательнее, что не может не привлекать животных. Британские исследователи предположили, что в местах интенсивного выпаса должны преобладать растения с мелкими геномами. Либо потому, что они быстрее восстанавливаются, либо потому, что травоядные выедают в основном крупногеномные питательные виды.

Местом проверки этой гипотезы стало поле Нэша в Силвуд-парке. На этом поле с 1950-х годов обитают кролики, поэтому деревьев там нет, а растут преимущественно многолетние травы. В 1992 году кроличья вольница закончилась. Поле разделили на экспериментальные площадки, на которые выпускали кроликов, растительноядных насекомых и моллюсков (улиток и слизней) в разных комбинациях. Были и контрольные участки без травоядных. От насекомых избавлялись синтетическими инсектицидами, от моллюсков защищали гранулы метальдегида, а от кроликов — проволочная сетка. Спустя пять и восемь лет ученые определили биомассу видов, растущих на разных участках, а в 2015 году измерили их геномы.

Кролики не подкачали и подтвердили гипотезу британских ученых. На лужайках, где пасутся эти зверьки, преобладают растения с меньшим размером генома, чем на лужайках без кроликов. Тому может быть несколько причин. Безусловно, кроликам нравятся сочные, питательные растения. Крупногеномные виды богаче азотом и фосфором, и у них крупнее клетки, поэтому такие растения сочнее. Увеличение генома на 1 пг повышает вероятность попасть на зуб к кролику на 8%.

Одно из важнейших условий устойчивости к травоядным — скорость роста. Быстрее растут мелкогеномные растения, поэтому они скорее восстанавливаются после кроличьей трапезы, и на «кроличьих» участках их больше. Кроме того, у растений с небольшим геномом выше скорость фотосинтеза, и потому им проще синтезировать защитные вещества.

В отличие от кроликов, моллюски выедают мелкогеномные растения, оставляя крупногеномные. Уменьшение генома на 1 пг увеличивает опасность быть съеденным улиткой на 6,6%. У моллюсков имеются и другие предпочтения. Им нравится, когда растения не содержат химикатов и проросли из семян. Увы, травы на лужайках чаще размножаются вегетативно. Исследователи предположили, что на поле Нэша слизни и улитки специализируются на тех растениях и их частях, которые не нравятся кроликам. Улитки, в отличие от млекопитающих, перерабатывают целлюлозу, из которой сложены клеточные стенки растений, а в мелкогеномных листьях целлюлозы существенно больше.

Эффект насекомых обнаружить не удалось. Скорее всего потому, что они менее разборчивы и едят все подряд.

Размер генома оказался важным признаком, влияющим на предпочтения животных, что, в свою очередь, сказывается на структуре растительного сообщества. Эти взаимоотношения сложны и требуют дальнейшего изучения. Но одно можно сказать точно: большой у растения геном или маленький — все равно съедят.


А вот статьи, которые могут почитать желающие узнать побольше о размере растительных геномов (Genes, 2018, 9, 88) и гипотезе его ограничения (Annals of Botany, 2005, 95, 177–190); о высокогорной кукурузе (PLOS Genetics, 2018, 14(5): e1007162) и растительной инвазии (New Phytologist, 2015, 205: 994–1007); о тучных лужайках Ротамстеда (New Phytologist, 2016, 210, 1195–1206) и кроликах на поле Нэша (Proceedings of the Royal Society В, 2019, 286: 20182619).


Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2019) на с. 42 — 45.

Разные разности
Собаки все понимают?
Понимание речи — это не чисто человеческий навык. Если у вас есть собака, то вы точно знаете, что это очень умное животное. И кажется, что она понимает, о чем говорят люди. А ведь так и есть.
Исполины против микропластика
Ученых интересует, как ведет себя микропластик в разных средах и как от него защититься или избавиться. И тут пришла подмога, откуда не ждали. Руку помощи с узловатыми крючковатыми пальцами протянули нам дубы.
Светящаяся петуния
Что вы скажете по поводу петунии, чьи цветки светятся в темноте подобно светлячкам? Скажете — небывальщина? Нет. Такие петунии уже появились на рынке. И появились они благодаря российской биотехнологической компании «Планта».
«Царица полей» против мышьяка
У кукурузы как кормовой культуры есть масса достоинств. Недавно ученые обнаружили у нее еще одно необычное свойство. И связано оно с мышьяком.