В геноме папоротника Tmesipteris oblanceolate насчитали 160 миллиардов генетических букв.

Папоротник Tmesipteris oblanceolate. (Фото: Pol Fernandez, Institut Botànic de Barcelona)
Открыть в полном размере

Папоротник Tmesipteris oblanceolate растёт в тропических лесах островов Новой Каледонии, Новой Зеландии и некоторых других. Это невысокое, невзрачное растение, у которого даже нет собственных корней и листьев. Его листья – уплощённые, видоизменённые стебельки-веточки, ответвляющиеся от главного стебля. Не имея корней, T. oblanceolate опирается на корневища мощных древовидных папоротников. То есть он представляет собой эпифит – растение, растущее на другом растении, но без паразитизма; влагу наземные эпифиты получают из воздуха и осадков.

Тем не менее, несмотря на всю свою простоту, T. oblanceolate оказался обладателем самого большого генома среди живых существ – больше 160 млрд генетических букв. Как мы знаем, ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят четыре разных азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин – А, Т, G, С. Они составляют генетический алфавит, их чередование кодирует всю генетическую информацию. Поскольку ДНК образуют две взаимно комплементарные цепи, то обычно говорят не просто о буквах-основаниях, а об их парах, то есть геном T. oblanceolate состоит более чем из 160 млрд пар оснований. Обнаружили это сотрудники Института ботаники в Барселоне вместе с коллегами из Королевских ботанических садов и других научных центров; результаты исследований они опубликовали в iScience.

Предыдущий рекорд принадлежал другому растению – пиерису японскому, в геноме которого около 149 млрд пар букв. Среди животных самый большой геном у рыбы мраморного протоптера – около 130 млрд пар букв. В человеческой ДНК около 3 млрд. Эти цифры ещё раз демонстрируют давно известный факт, что сложность и объём генома не обязательно совпадают со сложностью организма: обнаружить какие-то невероятные хитрости в анатомии и физиологии скромного эпифита T. oblanceolate при всём желании довольно сложно.

Каким образом T. oblanceolate обзавёлся таким большим геномом, пока неясно. Тут нужно уточнить, что его ДНК изучали не секвенированием (чтением) по буквам, то есть последовательность его генома мы не знаем. Тут были задействованы другие методы, которые позволяют оценить количество генетических букв по физико-химическим параметрам совокупной ДНК клеточного ядра. И если говорить о секвенировании, то пока что самый большой геном, который удалось прочитать, это 90-миллиардный геном омелы белой. Чисто химически разобрать всю ДНК такого объёма на буквы можно – вся она разбивается на фрагменты, которые потом прочитываются. Но потом прочитанные фрагменты нужно правильно соединить друг с другом, и тут начинается работа по перебору и состыковке начитанных коротких последовательностей. Сейчас просто нет достаточных вычислительных мощностей, которые позволили ли бы собрать геном объёмом в 160 млрд букв.

Есть два вполне правдоподобных предположения, каким образом геном T. oblanceolate так разросся. Во-первых, это могло произойти из-за удвоения всех хромосом целиком, то, что называется полиплоидизацией. Растения в целом переносят полиплоидизацию хорошо, и геномы у них часто меняются именно таким образом, открывая новые эволюционные пути. Во-вторых, у T. oblanceolate могли многократно удваиваться какие-то участки ДНК внутри отдельных хромосом. Но и удвоенные хромосомы, и удвоенные участки внутри хромосом не обязательно оборачиваются каким-то преимуществом. Удвоенный материал вполне мог остаться просто генетическим мусором – большой геном вовсе не означает, что в нём закодировано больше белков и что в нём вообще больше полезной с биологической точки зрения информации.

Но вне зависимости от количества мусора и полезной информации, большой геном многого требует. До сих пор считалось, что вышеупомянутый пиерис японский демонстрирует предельный объём генома, который может обслуживать эукариотическая клетка. Теперь оказалось, что возможности клеток в этом смысле мы недооцениваем, однако всё равно остаётся вопрос, как папоротнику T. oblanceolate удаётся совладать с собственным геномом. ДНК требует ресурсов, хотя бы в смысле размножения: делящаяся клетка должна всю её удвоить, а на это нужны материалы и энергия, и чем больше геном, тем больше нужно того и другого. Кроме того, ДНК нужно упаковывать, ей нужно белковое сопровождение, что опять же требует ресурсов. Впрочем, если организм существует в стабильной среде, где никаких сюрпризов не случается, он может позволить себе тратить много сил на подобные цели. Вероятно, папоротнику T. oblanceolate от такого большого генома просто ни холодно, ни жарко. Молекулярные эксцессы увеличивали количество ДНК в его клетках, но условия жизни (факторы среды) не требовали ни усложнения организма, ни оптимизации разросшегося энергозатратного генома.