Геном реликтового дерева
Коллектив ученых из Австралии, США и Италии прочитал геном воллемии — дерева, которое считалось вымершим два миллиона лет назад, пока его не обнаружили в конце XX века примерно в ста километрах к западу от Сиднея.
В 1994 году Дэвид Нобль, сотрудник национального парка Уоллеми в австралийском штате Новый Южный Уэльс, обнаружил в удаленном ущелье группу деревьев, которых он раньше никогда не видел. Заинтригованный, он отломил веточку и взял ее с собой. Но и профессиональные ботаники, работавшие в парке, не смогли определить это дерево. Сотрудники парка на вертолете слетали к месту, где росли деревья, собрали новые образцы веток и шишек и обратились в Королевский ботанический парк в Сиднее. Там наконец удалось установить, что дерево принадлежит к группе, известной только по окаменевшим остаткам. Почти идентичные образцы хорошо известны среди палеоботанических находок южного полушария: листья, ветки и пыльца были обнаружены в Южной Америке, Антарктиде, Новой Зеландии и Австралии за период от 90 до 2,5 млн лет назад.
Дерево получило название воллемия (Wollemia nobilis, родовое название — в честь национального парка Уоллеми, видовое означает «благородная» и одновременно указывает на первооткрывателя деревьев Дэвида Нобля). Относится оно к семейству араукариевых. Это высокое дерево с изящной кроной. Размножается оно как семенами (мужские и женские шишки растут на одном дереве, мужские появляются на пятый год жизни дерева, женские — на восьмой), так и вегетативно (от корня старых деревьев растет молодая поросль). Растет медленно, но живет долго. Самому старому из известных деревьев, получившему имя «Король Билли», видимо, уже больше тысячи лет.
Точное место, где они растут, не раскрывается, чтобы никто не мог повредить редким деревьям. К тому же воллемия оказалась подвержена фитофторе, как обычная картошка, так что для сохранения вида приходится прикладывать усилия. Руководство парка в 2000-е решило передать ряд саженцев воллемии ботаническим садам мира, чтобы создать резерв на случай исчезновения природной популяции. С тех пор воллемии есть в Главном ботаническом саду имени Н. В. Цицина в Москве и в Ботаническом саду Академии наук Украины имени академика Н. Н. Гришко, в Королевских ботанических садах Кью в Великобритании, в Ботаническом саду Парижа и в других городах. Самочувствию воллемии в условиях ботанических садов теперь посвящены специальные исследования.
Генетики использовали образцы от четырех деревьев из парка Уоллеми и одного, растущего в Ботаническом саду Сиднея. Оказалось, что у дерева 26 хромосом, содержащих ошеломляющие 12,2 миллиарда пар нуклеотидных оснований (размер генома человека — всего около 3 миллиардов пар оснований). Несмотря на большой размер генома, у воллемий чрезвычайно низкое генетическое разнообразие, что позволяет предположить, что их численность резко сократилась примерно 10 000–26 000 лет назад. К тому же воллемии редко обмениваются генетическим материалом при опылении, большинство существующих деревьев возникают из корневой поросли и представляют собой генетические клоны друг друга. В результате примерно 200 стволов воллемии в парке Уоллеми представляют собой фактически всего около 60 генетически различающихся организмов.
Также геном воллемии отличается большим количеством транспозонов, или «прыгающих генов» — участков ДНК, которые могут менять свое положение в геноме. Транспозоны, возможно, сыграли роль в увеличении генетического разнообразия и, таким образом, по крайней мере временно сделали воллемию более устойчивой к изменяющимся условиям.
Ученые описали 37 485 генов воллемии, кодирующих белки. Среди них нашлось пять генов с чрезвычайно длинными интронами (участками гена, не имеющими соответствий синтезированной по его образцу молекуле РНК). У этих генов интроны имеют размер более миллиона пар оснований, а ген-рекордсмен по данному показателю имеет длину интронов 1,49 миллиона пар оснований — это одно из самых высоких значений среди растений.
Расшифровка генома также выявила, почему воллемия оказывается восприимчивой к болезням, в частности к фитофторе. Гены устойчивости к болезни подавляются у воллемии одной из малых молекул РНК, которая связана с развитием более широких листьев. Воллемия, в отличие от большинства хвойных деревьев, имеет сравнительно широкие листья шириной до 0,5 см. Таким образом, появление более широких листьев могло привести к подавлению устойчивости к болезням.
Работа доступна на сайте препринтов biorxiv.org.