Генетика Пандо
Раскрыты генетические тайны самого древнего дерева на Земле. Его геном прочитали множество раз — иначе нельзя, если биообъект весит около 6000 тонн. Результаты говорят о том, что это дерево каким-то образом избегает накопления мутаций, а также подтверждают его невероятную древность.
Какое дерево из ныне живущих самое большое и древнее? Секвойя по имени Гиперион из Северной Калифорнии высотой более 115 метров? Какая-нибудь другая секвойя? Или сосна Прометей из Невады — она меньше секвой, зато ее возраст, возможно, превышает 5 тысяч лет… А, нет, чтобы это установить, ее как раз и срубили; когда дендрохронология еще только развивалась, других методов подсчета годовых колец не знали. А как насчет баобабов или дерева бодхи, оно же фикус священный?..
Все ответы неверные. Самое большое и древнее в мире дерево — Пандо, он же Трепещущий Гигант, или клональная роща тополя осинообразного к западу от озера Фиш-Лейк в штате Юта. Этот вид тополя широко распространен в Северной Америке, но Пандо уникален.
Действительно, Пандо выглядит как тополевая роща, раскинувшаяся на площади 42,89 гектара. Но все деревья в этой роще, а их 47 тысяч, генетически идентичны и растут из единой корневой системы. В сущности, это и не деревья, а стебли-близнецы. Общие корни и общий геном дают основание считать его единой гигантской особью весом 6000 тонн, а не просто рощей.
Пандо и еще одну клональную рощу поменьше описали в 1976 году ботаники Джерри Келлерман и Бертон Барнс. Тогда они не использовали генетические методы, а основывались на данных аэрофотосъемки, а также на морфологических характеристиках листьев, коры и стволов.
Для опытного исследователя не все тополя на одно лицо, он различает в них индивидуальность — но тут действительно произрастала армия клонов. Келлерман и Барнс предположили, что заселение обширной площади одним растением стало возможным по ряду причин: укоренение небольшого количества сеянцев, периодические пожары, которые уничтожали новые сеянцы, но благоприятствовали образованию корневых отпрысков, слабая конкуренция со стороны хвойных и других видов деревьев.
Имя Пандо (от латинского «распространяюсь») ему дали в 1990-е годы. Генетические исследования подтвердили вывод ботаников-морфологов: Пандо — это одно дерево. С 1987 года сотрудники Национального леса Фиш-Лейк охраняют и изучают мегатополь: удаляют больные стволы, рощу огораживают от оленей, лосей и домашнего скота.
Тополь осинообразный — как и большинство тополей, двудомное растение, то есть на каждом дереве все сережки состоят или только из женских цветков с завязями, или только из мужских, дающих пыльцу. Пандо — огромный мужчина-тополь, и размножаться он может только корневыми отпрысками. А еще он триплоид, у него три набора хромосом вместо двух. Полиплоидия, то есть повышенное число наборов хромосом, у растений не редкость и, собственно, не патология, но эффективность полового размножения нечетное число наборов хромосом снижает.
Сколько же ему лет? Отдельные деревья тополя в естественных условиях могут жить до ста лет, в культуре (высаженные и выращенные людьми) — несколько столетий. Но очевидно, что годичные кольца стволов ничего не говорят о возрасте клона в целом.
Различные источники дают оценки от 80 тысяч лет до миллиона лет. Однако обе оценки представляются невероятными. Во время последней ледниковой эпохи место обитания Пандо могло быть покрыто льдом. Это не точно, но если это так, то Пандо не старше 16 тысяч лет — тополя выносливые, однако не настолько, чтобы пережить оледенение.
В 2022 году были опубликованы результаты исследования древесного угля в почве на территории, занятой Пандо. Уголь попадает в почву во время пожаров, и исследования показали, что тополь доминировал на этой территории минимум 9 тысяч лет (и благополучно переживал пожары). Это в любом случае закрепляет за Пандо титул древнейшего дерева Земли. Секвойе Гипериону всего 700–800 лет, а старше сосны Прометея ни одного дерева пока не найдено, хотя некоторые сосны того же вида ненамного младше. Но каковы могут быть максимальные оценки?
В 2024 году ученые из разных научных центров США исследовали накопление мутаций в огромном теле Пандо. Эта работа в октябре 2024 года была опубликована в виде препринта на сервисе BioRxiv. В рецензируемом журнале она еще не вышла, тем не менее вызвала интерес научного сообщества.
Долгая жизнь клона все-таки не может длиться бесконечно, так как мутации в его геноме накапливаются, и это должно сказываться на жизнеспособности. Соматические мутации (в неполовых клетках) происходят у каждого из нас, но мы не передаем их потомству. Ведь, в отличие от тополя, мы не можем вырастить нового человека ни из какой частицы нашего тела, кроме половых клеток, а они претерпевают сравнительно небольшое количество делений, прежде чем дают жизнь новому организму. У Пандо же всё не так, его мутационный груз копился тысячелетиями.
По характеру накопления мутаций в геномах особей исследователи восстанавливают ход эволюции или определяют, кто от кого произошел в пределах вида. Если у трех особей мутация А, при этом мутация В — у двух из них, а у третьей — уникальная мутация С, значит, эволюционная линия третьей особи отделилась раньше, чем разошлись первые две. Полученные данные, изображенные в виде схемы, называются филогенетическим деревом. (Все мы помним такие деревья для коронавируса SARS-CoV-2: на них хорошо видно, каким родством связаны разные штаммы и как они распространялись по разным странам.) Пандо — сам себе филогенетическое дерево, можно сказать, аналоговое, имеющее форму дерева не только на бумаге, но и в реальном мире.
«Меня в каком-то смысле шокирует, что до сих пор не было особого интереса к генетике Пандо, учитывая, насколько он крут», — сказал в комментарии для журнала Nature соавтор работы Уильям Рэтклифф, биолог-эволюционист из Технологического института Джорджии в Атланте.
Исследователи собрали более 500 образцов листьев, корней и коры ветвей и побегов из разных участков Пандо. При этом охватили всю площадь рощи по сетке с шагом 50 метров, а внутри двух небольших участков взяли образцы с меньшим шагом. Из образцов выделили ДНК, секвенировали их и проанализировали мутации. Исследователи получили также геномы тополей, не входящих в Пандо. В результате ученые обнаружили десятки тысяч мутаций, или однонуклеотидных полиморфизмов (замен в одну «букву»), из рассмотрения исключили варианты, найденные и в других тополях, а также мутации, обнаруженные только в одном образце.
Всего в крупномасштабной выборке было идентифицировано около 4000 предполагаемых соматических мутаций. Как и ожидалось, листья мутировали быстрее, чем кора или побеги — очевидно, в долгоживущих тканях есть специальные механизмы, предотвращающие накопление ошибок при росте. Логично было ожидать, что близкие деревья будут иметь сходные мутации, и такую тенденцию обнаружили на небольших расстояниях, но сходство было менее выраженным, чем предполагали. Это опять-таки указывает на то, что Пандо как-то противостоит мутациям.
Исходя из количества мутаций и известной скорости их возникновения, ученые получили три разных оценки возраста Пандо. Если считать, что только 6% обнаруженных соматических мутаций не являются результатом каких-либо ошибок (а именно такая доля однонуклеотидных полиморфизмов стабильно воспроизводилась, когда одни и те же образцы секвенировали повторно), то возраст Пандо — около 16,4 тысячи лет. Если все обнаруженные мутации истинно положительные, это дает возраст около 34 тысяч лет. Если же предположить, что найдены не все мутации (математические методы позволяют оценить, сколько мутаций могло быть пропущено при сборе и анализе данных), то возраст клона может превышать 81 тысячу лет.
Таким образом, генетические данные подтверждают, что Пандо — один из древнейших организмов на Земле. Римская республика, Римская империя и многие другие древние по меркам человеческой истории явления начались и закончились, а эта роща все шумела.
Авторы также проанализировали пыльцу в донных отложениях озера и подтвердили, что тополь осинообразный постоянно рос на его берегах в течение последних 15 тысяч лет, а в целом его пыльца обнаруживается на протяжении последних 60 тысяч лет.
По мнению исследователей, долгой жизни Пандо способствовал его тройной набор хромосом. У растений полиплоидные экземпляры часто бывают крупнее и конкурентоспособнее. Организмы с нечетным числом наборов хромосом имеют низкую плодовитость при половом размножении, но это для Пандо не проблема.
Существуют ли клональные рощи деревьев рода Populus — тополей или осин — в Евразии? Конечно, существуют, биология этих видов сходна во всех частях света. Одну такую осиновую рощу описали российские ученые («Генетика», 2016, т. 52, 6, 728). В Сабинском лесничестве Республики Татарстан 29 обследованных деревьев имели один и тот же генотип, что, по мнению авторов статьи, говорит о высокой конкурентоспособности и устойчивости к болезням. На момент исследования маленький осиновый Пандо занимал скромные 2,1 гектара. Может быть, где-то есть и побольше.