Родительские субгеномы пастушьей сумки мирно уживаются между собой

Пастушью сумку (Capsella bursa-pastoris) — невзрачное растение из семейства крестоцветных — встречали все, ведь она растет буквально везде, и не только в наших лугах и полях, но и по всему миру. Это говорит о ее высокой адаптивности, а значит — об эволюционном успехе. Детально разобраться в особенностях и происхождении ее генома позволило исследование, проведенное российскими учеными из Института проблем передачи информации и Сколковского института науки и технологий.

У пастушьей сумки, как и многих других растений, полиплоидный геном. Полиплоидия дает растениям пользу, например, повышает устойчивость к стрессу и ускоряет рост.  Пастушья сумка — родственник известного модельного растения арабидопсиса, или резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Было известно, что пастушья сумка обыкновенная (Capsella bursa-pastoris) образовалась из скрещивания двух видов — красноватой (Capsella rubella/grandiflora) и восточной (Capsella orientalis) пастушьей сумки. При этом у родительских видов небольшие ареалы — первый растет в Средиземноморье, а второй — на юге и востоке России и в Центральной Азии. А их гибрид — пастушья сумка обыкновенная — растение-космополит, ее ареал простирается от Арктики на севере до антарктических островов (исключая саму Антарктиду) на юге, она растет и в полярных областях, и в пустынях. Такую пластичность, в первую очередь, связывали с полиплоидным геномом, но чтобы разобраться в деталях, нужно было собрать полный геном пастушьей сумки. Результаты этой работы ученые представили в статье в журнале BMC Biology.

Процесс сборки генома C. bursa-pastoris состоял из нескольких этапов, в которых использовали высокоточные чтения, полученные на платформе PacBio, информацию о хроматиновых контактах (HiC) и генетическое картирование с высоким разрешением. Последовательности субгеномов, полученные от родительских видов (их называют R и O, от C. rubella/grandiflora и C. orientalis, соответственно), собрали в хромосомы. Анализ генома пастушьей сумки не выявил крупных делеций, инсерций и транслокаций. Оказалось, что большинство хромосом гибридного вида были получены полностью либо от одного, либо от другого родителя, между субгеномами R и О не наблюдалось рекомбинации (за исключением двух хромосом, в которой сочетались фрагменты разного происхождения).

Аннотированный геном включил 65 207 кодирующих белки генов, причем они примерно поровну были распределены между субгеномами R и O. Это редкий случай, обычно в гибридном геноме доминирует один из родительских, а второй теряет гены. Оба субгенома показали сходство с геномом A. thaliana. 

По особенностям субгеномов ученые смогли проследить эволюцию каждого вида пастушьей сумки. Они сделали вывод о гомологичном обмене между субгеномами R и O на ранней стадии эволюции C. bursa-pastoris, который привел к формированию двух гибридных хромосом. Обсуждается вопрос о едином или различном происхождении разных клад C. bursa-pastoris — средиземноморской, ближневосточной и азиатской. Сравнение структуры генома (на основании данных о хроматиновых контактах) экземпляров из разных регионов показало, что гибридные хромосомы присутствуют во всех кладах, что говорит в пользу их единого происхождения.

Полученные данные также заставляют пересмотреть текущую гипотезу, что красноватая пастушья сумка — это отцовский вид для обыкновенной пастушьей сумки, а восточная — материнский вид. Авторы предположили, что C. rubella/grandiflora не является непосредственным родителем обыкновенной пастушьей сумки, а, скорее, сестринский к нему вид, сам же вид-родитель не сохранился. 

На вопросы PCR.NEWS ответили ключевые соавторы работы — старший преподаватель Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха, к.б.н. Мария Логачева и руководитель лаборатории геномики растений ИППИ РАН, к.б.н. Алексей Пенин.  

Прочтение генома пастушьей сумки показало, в чем причина ее биологического успеха, способности жить в разных климатических условиях?

М.Л.: Последовательность генома может служить базой для дальнейших исследований этого вопроса.  Есть некоторые общие соображения, которые относятся ко всем полиплоидам. Полиплоидия может быть обусловлена либо гибридизацией, как у капселлы, либо удвоением одного набора хромосом. В результате, в растении получается два гена с дублирующими функциями, в последствии один из них может исчезнуть, а в другом случае в них могут независимо накапливаться мутации, в результате чего они будут приобретать либо немного, либо радикально разные функции.  Вплоть до того, что гены, которые были у предка одним и тем же геном, могут начать работать в противоположенных направлениях. Капселла дает очень много семян, несколько тысяч, и в каждом из них могут происходить эти процессы. То есть полиплоидия способствует очень большому увеличению генетического разнообразия. Но это общие соображения, которые послужили нам мотивацией для работы с ней. А дальше мы будем смотреть по конкретным генам, по конкретным признакам, как эта общая идея реализуется.

А.П.: У нас была предварительная статья в 2017 году, когда мы сделали черновую сборку генома пастушьей сумки. И удалось показать, что одним из способов эволюции является возникновение регуляторных элементов в промоторах генов. Скажем, есть две копии, и в одной копии возникает регуляторный элемент. Было неясно, это предковый полиморфизм, унаследованный от какой-то предковой популяции, или он возник в пределах данного вида?  Родительские виды разделились примерно 1 млн лет назад, потом 700–800 тысяч лет жили отдельно и накопили различия, а затем объединились. Вопрос был в том, сколько раз это произошло. Если много, то полиморфизм современной пастушьей сумки мог быть унаследован от древних популяций. Но, видимо, нет — по ряду признаков это было одно единичное событие. Потому что мы во всех линиях видим одинаковую гибридную хромосому, вероятность ее независимого формирования очень мала.  Таким образом, все разнообразие возникает из одной исходной точки. А как? Мы уже показали, что в нем участвуют регуляторные элементы в промоторах. Мы показали, что это возникает в генах, связанных с длиной дня и с устойчивостью к стрессам. А остального мы еще не знаем.

Какие следующие задачи вы перед собой ставите?

А.П.: За 15 лет мы собрали достаточно большую коллекцию морфологически разных линий из разных регионов мира — Мурманск, Ближний Восток, Китай и т.д. И дальше мы будем пытаться понять, что произошло у них в геномах, что позволило им приспособиться к разным условиям. Поскольку теперь у нас есть полный геном, мы будем смотреть на метилирование, структуру генов, альтернативный сплайсинг и пр. То есть мы можем изучать все аспекты процессов суб- и неофункционализации генов.

М.Л.: Могу добавить. Сейчас моя аспирантка изучает гены перехода к цветению, и мы обнаружили, что у одной из линий в одном из субгеномов ключевого для этого процесса гена просто нет — там на этом месте возникла большая делеция. И эта линия зацветает позднее.  То есть мы находим природные нокауты и также по некоторым генам делаем нокауты с помощью генетического редактирования. И смотрим, как влияет на фенотип отключение одного гена и другого гена. Это позволяет понять, как отличаются их функции (или не отличаются, такое тоже возможно).

Насколько пастушья сумка уникальна по своим особенностям?

А.П.: Полиплоидия, конечно, не уникальная черта, наоборот, это почти правило для растений. Если говорить про распространенность, то она входит в пятерку самых распространенных растений, наряду с такими растениями как крапива и горец птичий. Но они гораздо хуже изучены. Капселла — хороший модельный объект за счет близкого родства с арабидопсисом, у нее короткий жизненный цикл, поэтому можно эксперименты проводить быстро, структура соцветия и высокая семенная продуктивность позволяет легко проводить генетическую модификацию. А с остальными пока даже не очень ясно, один ли это вид или комплекс видов. Поэтому я полагаю, что пастушья сумка станет в ближайшее время одной из ключевых модельных систем для изучения ранней эволюции полиплоидов.