Американские ученые ответили на вопрос, как некоторые растения становятся хищниками. Оказалось, что важную роль в этом процессе играют многочисленные хромосомные перестройки. Это позволяет организму обзавестись сложными ловушками, из которых жертве невозможно выбраться. Публикация в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Utricularia gibba, или пузырчатка горбатая — хищное растение, которое использует для ловли мелких водных насекомых пузыри-ловушки. Когда жертва касается чувствительных волосков на пузыре, она за тысячную долю секунды засасывается внутрь вместе с водой, после чего ей остается только ждать смерти в пищеварительных соках растения.
Как растение получило способность пожирать насекомых? Ученые считают, что ответ на этот вопрос лежит внутри генома пузырчатки. В ходе эволюции гены появляются, исчезают и перестраиваются, что изменяет организм. С ДНК хищных растений случилось нечто, что превратило их из обычных цветков в монстров. Что именно — можно узнать по оставленным в геноме U.gibba следам древних генетических событий.
Пузырчатка обладает сравнительно маленьким геномом. Это означает, что множество генов были удалены в процессе эволюции за ненадобностью, однако среди тех, что сохранились, были именно те, что делали U.gibba хищником. Они появились в результате изменений ДНК, которые делали организм более приспособленным к окружающей среде.
Как происходит появление новых генов? Ведь если мутация коснется участка ДНК, играющего важную роль в жизнедеятельности, то это более вероятно приведет к «поломке» кодируемого им белка. И хотя эта мутация могла бы помочь перенастроить ген для выполнения другой функции, она оказывается вредной и может привести к гибели организма. Однако иногда хромосомы в процессе копирования претерпевают перестройки, в результате которых может произойти удвоение (дупликация) участка ДНК. Таким образом появляется дополнительная копия гена, которую можно изменять как угодно. Эти гены-двойники находятся рядом друг с другом, образуя тандемный повтор.
Правда, иногда удваивается не какой-то участок, а целая хромосома или даже весь геном. Такие события в ходе эволюции эукариотических организмов (растений, животных и грибов) происходили не единожды. Кратное увеличение числа хромосом в организме называют полиплоидией. Поскольку копируются все гены, то увеличивается и количество производимых ими белковых продуктов. Казалось бы, что плохого в том, что всего стало больше? Однако в клетках действуют тонко настроенные механизмы, чувствительные к количеству специфических белков. Если возникает избыток последних, это грозит нарушениями, снижающими общую приспособляемость и выживаемость организма.
Однако естественный отбор способствует удалению (делеции) лишних копий, которые не приносят пользы. Более того, если в организме есть два гена, один из которых полезен при одних условиях окружающей среды, а второй — при других, эволюция, скорее всего, уберет тот, который не нужен в данной среде обитания.
Результаты предыдущих исследований показали, что пузырчатка обладает крайне динамичным геномом. Растение претерпело как минимум две дупликации всего генома с того момента, как его предки отделились от линий, которые привели к появлению винограда, помидоров и других видов. Кроме того, U.gibba довольно быстро избавляется от генных дубликатов в результате очищающего давления отбора.
Чтобы выяснить, какие гены делают пузырчатку хищником, ученые из Университета штата Нью-Йорк в Буффало определили последовательность ДНК U.gibba с помощью метода одномолекулярного секвенирования в реальном времени. Этот подход, разработанный компанией Pacific Biosciences, заключается в наблюдении за работой фермента ДНК-полимеразы. Эта молекула занимается синтезом цепи ДНК на основе другой цепи. При этом нуклеотиды, которые встраиваются в создаваемую копию нуклеиновой кислоты, снабжены различными флуоресцентными метками. С помощью конфонкального микроскопа можно различить свет, испускаемый вставленным полимеразой нуклеотидом, и таким образом определить всю последовательность ДНК.
Главное преимущество этого метода перед другими типами секвенирования — способность расшифровать последовательность ДНК длиной несколько тысяч нуклеотидов. Это позволило ученым собрать наиболее полный и точный геном пузырчатки. После этого исследователи идентифицировали тандемные повторы. Тот факт, что они сохранились несмотря на очищающее давление естественного отбора, говорит о том, что эти гены наделяют организм каким-то эволюционным преимуществом. При этом важное значение имеет то, что у этих генов несколько копий.
В отличие от механизмов, чувствительных к дозе белковых продуктов, существуют процессы, которые, наоборот, протекают быстрее и лучше от того, что их обслуживают несколько одинаковых генов.
Исследователи выяснили, что повторы включали ДНК, которая отвечает за синтез таких белков, как, например, протеазы. Эти ферменты расщепляют другие белки и, видимо, участвуют в разложении органических веществ, составляющих ткани жертвы. Кроме того, была найдена ДНК, участвующая в транспорте пептидов из одной клетки растения в другую. Все эти гены особо активны в пузырях-ловушках, что указывает на их важную роль в переваривании добычи. Также ученым удалось идентифицировать гены, связанные с обеспечением необходимого уровня кислотности внутри пузырей и эластичности их стенок.
Естественно, чем больше расщепляющих ферментов и транспортирующих белков, тем эффективнее протекает процесс пищеварения. Белки, обеспечивающие эластичность стенок, также необходимы в больших количествах, поскольку внутри камер создается мощное отрицательное давление.
Результаты работы показали, что в видообразовании растений-хищников огромную роль играет появление лишних копий генов. Непентесы, росянки, мухоловки и пузырчатки, как правило, произрастают в местах, бедных минеральными веществами, поэтому для выживания им необходимо эффективно извлекать органику из пойманных насекомых, что трудноосуществимо без тандемных повторов.
