Ludzie, podobnie jak wiele złożonych organizmów, mają duże genomy, które zawierają kody naszego życia. Chcesz wyjaśnić swoje ciemne włosy, cienkie kości policzkowe i egzystencjalny lęk? Spójrz na 46 chromosomów i trzy miliardy par zasad nukleotydowych.
Ale te liczby nie są porównywalne z genomem innego organizmu, który zawiera dwa razy więcej par zasad i trzy razy więcej chromosomów. Czy to ośmiornica? Słoń? Orka? Nie, to latająca paproć pajęcza.
Latająca paproć chmielowca, wytrzymała roślina występująca w Azji Południowo-Wschodniej, ma płaskie liście, które rozpościerają się na szczycie łodygi, i jest tylko jedną z wielu roślin, które uwalniają zarodniki i mają ogromny genom. To, co wyjaśnia lub wymaga dużej ilości DNA, to to, co Fei-Wei Lee, botanik z Boyce Thompson Institute, nazywa „największym pytaniem w genomie paproci”.
W maju dr Lee kierował zespołem seryjny Kompletny genom paproci latającej małpy, próbuję znaleźć odpowiedź. to było tylko trzeci raz DNA paproci zostało dokładnie zmapowane i po raz pierwszy zsekwencjonowano paproć z bardzo dużym genomem. zeszły tydzień dwa jeszcze Artykuły badawcze, opublikowane w Nature Plants, ujawniły, że miłorząb i „C-Fern” – Ceratopteris richardii, paproć często używana jako żywy model in vitro – mają genomy podobne w szerokości do paproci latającej.
Ta seria badań, wciąż w przygotowaniu, kwestionuje półwieczną hipotezę dotyczącą genów paproci. Chociaż nie pieczętuje stanu genomu paproci, może „powiedzieć nam wiele o ewolucji genomu jako całości”, powiedział Blaine Marchant, botanik ze Stanford University, który kierował sekwencjonowaniem C-Fern.
„Minęły dziesięciolecia błagania: „Hej, paprocie, musimy to zrobić!” – powiedział Eric Schutbles, botanik ze Smithsonian Institution, który nie był zaangażowany w najnowsze badania. „To są naprawdę ekscytujące czasy”.
Nie jest do końca jasne, dlaczego niektóre organizmy mają większe genomy lub więcej chromosomów niż inne; Rośliny i zwierzęta, które zawierają wiele genów, niekoniecznie są bardziej złożone pod względem fizycznym lub behawioralnym. Obecny rekordzista pod względem największej liczby par zasad – 149 miliardów – to roślina kwitnąca o naukowej nazwie Paris japonica; Rekordzistą dla większości chromosomów – 1440 – jest paproć wężowa. Obie rośliny są małe, a jeśli chodzi o żywe stworzenia, jest bezpretensjonalne.
Jednym z powszechnych wyjaśnień dużych genomów jest poliploidia lub duplikacja całego genomu. Zwykle podczas reprodukcji dwie gamety – komórki z o połowę mniejszą liczbą oryginalnych chromosomów – łączą się, tworząc zygotę z pełnym zestawem genów. Ale kiedy te gamety są tworzone po raz pierwszy, pary chromosomów mogą nie rozdzielić się całkowicie, co skutkuje zygotą z genomem dwukrotnie większym od rodziców. Wydaje się, że miało to miejsce na początku ewolucji roślin kwitnących, ale większość genów diploidalnych została pozbawiona po dziesiątkach milionów lat przez dobór naturalny.
Paprocie są blisko spokrewnione z roślinami kwitnącymi, ale mają w swoim genomie około 20 procent par zasad. Od lat naukowcy zastanawiali się, dlaczego tak jest. Następnie w 1966 roku Artykuł został opublikowany w Science twierdząc, że paprocie, z których wiele rozmnaża się bezpłciowo, zyskały ewolucyjną przewagę dzięki duplikacji genomu. Autorzy argumentowali, że dodatkowe geny zasadniczo zapewniają zapasowe chromosomy, które pomagają zapobiegać chorobom genetycznym.
To był „naprawdę poruszający i bardzo kreatywny artykuł”, powiedziała Pamela Soltis, botanik z Muzeum Historii Naturalnej na Florydzie, która pomogła w sekwencjonowaniu C-Fern. Ale czy genomy paproci rzeczywiście zawierają oznaki powielania masy, czy po prostu były duże? Aby potwierdzić teorię, konieczne jest zsekwencjonowanie niektórych z tych dużych genomów.
W końcu to się stało w tym roku – a sekwencje nie wykazały poliploidii. Nic z tego nie wyszło, powiedział dr Soltis. „W rzeczywistości istnieją tylko dowody na dwa możliwe duplikacje w całej tej linii, która ma setki milionów lat.. „
Wydaje się, że C-Fern nabył swój duży genom głównie z powtarzalnego DNA i elementów transpozycyjnych – „przeskakujących genów”, które często poruszają się w chromosomach o słabo poznanej funkcji. Dla dr Soltisa sekwencja ta stanowiła wniosek do starożytnej hipotezy o poliploidii paproci. „Uważamy, że to gwóźdź do trumny” – powiedziała.
Ale doktor Lee nie był o tym przekonany. DNA latającej paproci pająka zawierało dowody na całkowitą duplikację genomu około 100 milionów lat temu, a od tego czasu genom pozostaje niezwykle stabilny. To dziwny przypadek, ale wydaje się potwierdzać ideę, że poliploidia zapewniła roślinie ewolucyjną łodygę. „Jeden typ genomu wspiera tę hipotezę, a drugi nie” – powiedział.
„Nie mamy solidnego zrozumienia, co robią te rzeczy, ale byłem po prostu zaskoczony. Jak widzimy, że dostajesz coraz więcej genomów i genomów, które reprezentują więcej dla paproci jako całości, sprawy staną się naprawdę ekscytujące i ładne szybko”, powiedział dr Schweitebles.
To było coś, z czym zgodzili się wszyscy badacze paproci. „Opublikowanie coraz większej liczby zestawów genomów paproci do porównania sprawi, że wnioski będą bardziej pouczające” – powiedział dr Marchant.
Dr Soltis powiedział: „Jeśli chcemy na przykład zrozumieć aspekty roślin kwitnących, musimy być w stanie porównać je w ich ewolucyjnym kontekście historycznym. Do czasu publikacji tych dwóch dużych genomów nie było żadnego odniesienia”.
Dr Soltis brał udział w ostatnich próbach sekwencjonowania genomu Każda znana forma życia na Ziemi. Przyznała, że projekt był ambitny, podobnie jak nauka. „Aby zrozumieć, jak coś działa w dowolnym organizmie, w tym w nas samych, musisz spojrzeć na jego źródło i kontekst, zanim podejmiesz jakąkolwiek pracę, którą ma teraz” – powiedziała.
Dr Lee dodał: „Więc czego potrzebujemy? Potrzebujemy więcej genomów”.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
