Американские ученые ответили на вопрос, как некоторые растения становятся хищниками. Оказалось, что важную роль в этом процессе играют многочисленные хромосомные перестройки.
3 мин, 48 сек 18678
Это позволяет организму обзавестись сложными ловушками, из которых жертве невозможно выбраться. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, опубликованном 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.
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.
Страница 1 из 2
