Самое древнее растение на Земле защищает свой геном от накопления мутаций

Соматические мутации у животных и у человека могут приводить к образованию злокачественных опухолей и участвуют в процессах старения. Но жизненный цикл у животных длится недолго, а некоторые растения и грибы могут расти очень долго, практически бесконечно, и это дает возможность исследовать на их примере процессы возникновения и распространения соматических мутаций.

Ученые из США проанализировали, как распространяются соматические мутации в крупнейшей клональной колонии тополя осинообразного (Populus tremuloides), которая находится в Национальном парке Фишлейк (штат Юта, США). Этот гигантский живой организм, известный как Пандо или «Трепещущий гигант», происходит от одного растения и считается старейшим на планете. Тополь осинообразный — двудомное растение, он размножается вегетативно, образуя новые побеги из корневых отпрысков. Пандо обитает на территории 46,2 га, в ее состав входит примерно 47 тысяч отдельных стеблей, а общий вес растения превышает 6 тысяч тонн. Возраст одного побега составляет примерно 110 лет.

Пандо — не единственный известный клональный организм. Среди растений, грибов и морских водорослей тоже встречаются колонии, заселяющие большие пространства и отличающиеся долгожительством. Но каждое деление клетки связано с риском возникновения мутаций, и клонированные долгоживущие организмы должны такие мутации накапливать и передавать их потомству. Соматические мутации появляются уже после формирования семян и во время роста организма.

Исследователи собрали и секвенировали более 500 образцов листьев, корней и коры ветвей и побегов из разных участков Пандо и проанализировали соматические мутации. Мутации в клетках зародышевой линии ученые не рассматривали, так как они общие для всего Пандо в целом, то есть имеются в каждом рамете (клоне) и не дают информации о распространении мутаций и генетическом паттернировании.

Авторы статьи использовали три набора данных. Для первого набора они собрали листья со всего Пандо по 50-метровой сетке, включая соседние клоны, не входящие в его состав (184 образца, 22 888 SNP) — это обозначили как «крупномасштабный набор данных» (large scale dataset). Для второго — образцы листьев, коры, корней и ветвей из двух подсекций (диаметр 1–15 м) внутри Пандо (101 образец, 15 295 SNP с 3 034 соматическими мутациями — «мелкомасштабный набор данных» или fine scale dataset). Образцы из первого и второго наборов секвенировались однократно. Третий набор данных представлял собой результат восьмикратного секвенирования 12 образцов из набора данных мелкого масштаба (80 образцов со 101 соматической мутацией, «репликативный набор данных», replicate dataset).

При анализе репликативного набора мутация считалась соматической, если она обнаруживалась по крайней мере после двух повторных секвенирований и не более чем в 80% образцов (чаще встречающиеся варианты считались мутациями клеток зародышевой линии). В результате ученые отобрали 101 мутацию, имевшуюся в менее чем 40% образцов. Если мутация присутствовала в двух образцах в группе, в среднем она встречалась в 3,5 повторностей на образец (44% от общего числа).

Для анализа были использованы данные, полученные при генотипировании путем секвенирования. В качестве «нормальных» образцов для сравнения были взяты генетические варианты P. tremuloides из соседних клонов и из 100 образцов, собранных в Горных штатах США (Колорадо, Вайоминг, Невада, Айдахо). Исследователи исключили из рассмотрения варианты, найденные и в «нормальных» образцах, и в образцах из клона Пандо. Были исключены также мутации, обнаруженные только в одном образце.

Всего были идентифицированы 3 942 предполагаемых соматических мутации из 89 образцов рамет Пандо из крупномасштабной выборки. В среднем на образец приходилось 26,8% соматических мутаций. Исследователи предполагали, что в соседних раметах будет больше общих мутаций, чем в раметах, удаленных друг от друга. Корреляция между долей общих для рамет вариантов и физическим расстоянием между самими раметами оказалась невелика, но анализ образцов из мелкомасштабной выборки подтвердил ее наличие, хоть и в меньших масштабах, чем ожидалось. Оказалось, что короткоживущие структуры (листья) накапливают больше мутаций, чем долгоживущие (кора ветвей или побегов и корни). То есть, скорость соматических мутациях в разных тканях отличается, и это подтверждается ранее проведенными исследованиями. Растения выработали механизмы, защищающие меристему от накопления мутаций. Например, в одном из исследований было показано, что островок меристемной ткани, дающий начало новым раметам, может выталкиваться волнами клеток, ограничивающими распространение вредных мутаций.

Ученые реконструировали филогенетическую историю Пандо с помощью программы BEAST2. Для оценки доли пропущенных мутаций результаты анализа крупномасштабного набора данных (3 957 мутаций) сравнивали с набором соматических мутаций из репликативного набора (101 мутация). Из них воспроизвелись только 6% (6 мутаций из 101); связь между долей пропущенных мутаций и высотой филогенетического древа оценивалась с учетом этого. На основе данных о частоте возникновения соматических мутаций высоту древа преобразовали в годы. В результате были получены три разных оценки возраста Пандо.

По самой консервативной оценке, если только 6% обнаруженных соматических мутаций истинно положительные, возраст Пандо составляет 16 402 года. Если все обнаруженные мутации истинно положительные, колония должна быть возрастом около 34 тысяч лет. Если же использовать линейную зависимость для учета ложноотрицательных результатов и рассчитать количество возможных, но не обнаруженных мутаций, то возраст клона следует оценивать в 81 тысячу лет. По результатам анализа мелкомасштабных данных, возраст Пандо составляет от 10 до 100 тысяч лет. Анализ пыльцы из озера Фиш подтверждает постоянное присутствие тополя осинообразного на его берегах в течение последних 15 тысяч, а возможно и 60 тысяч лет.

Можно считать доказанным, что Пандо является одним из древнейших организмов на Земле. Исследователи полагают, что решающую роль в долгожительстве Пандо сыграла его триплоидная природа (тройной набор хромосом). Полиплоидия энергетически затратна, однако для полиплоидных организмов характерны повышенная адаптивность, конкурентоспособность, склонность к расширению территории и долгосрочному доминированию. Но организмы с нечетным числом наборов хромосом отличаются обычно низкой плодовитостью, и в этом случае выигрышной стратегией является клональная эволюция, как у Пандо.

Родительские субгеномы пастушьей сумки мирно уживаются между собой