Опубликованная сегодня в открытом доступе журнала GigaScience статья, в которой представлена последовательность генома гинкго двулопастного, старейшего из существующих видов деревьев. Исследование было проведено группой ученых из BGI, Чжэйцзянского университета и Китайской академии наук, которые взялись за изучение и проанализировали исключительно большой геном, насчитывающий более 10 миллиардов «букв» ДНК. Гинкго считается «живым ископаемым», что означает, что его форма и структура очень мало изменились за 270 миллионов лет с момента его появления. Учитывая его долговечность как вида и уникальное положение на эволюционном древе жизни, геном гинкго предоставит обширный ресурс для исследований, касающихся защиты растений от насекомых и патогенов, а также для исследований, изучающих ранние события в эволюции деревьев и эволюции в целом.
Чтобы изучить экстраординарную биологию гинкго на генетическом и молекулярном уровне, секвенирование его генома было одним из первых в списке пожеланий биологов растений. Однако из-за его размера, а также наличия огромного количества повторяющихся последовательностей сборка всей последовательности генома будет сложной задачей. Геном гинкго простирается более чем на 10 Гб, что в 80 раз больше, чем геном «модельного растения» Arabidopsis thaliana. Геном дерева также больше, чем у других видов растений, известных своими чрезвычайно большими геномами, таких как кукуруза или орхидеи. Однако большой интерес к истории и биологии гинкго сделал работу по секвенированию и сборке генома задачей, которую исследователи из Китая сочли стоящей, и им это удалось..
Венбин Чен из BGI объясняет некоторые трудности, которые им пришлось преодолеть: «Было сгенерировано огромное количество необработанных данных (~ 2 ТБ), и вычислительные возможности для сборки генома были поставлены под сомнение как огромным объемом данных, так и удивительно высокая доля повторяющихся последовательностей. Поэтому требовался невероятный объем памяти». Далее он выделил несколько особенностей генома: «Большой геном гинкго мог быть результатом дупликации всего генома и вставки удивительно высокой доли повторяющихся последовательностей, по крайней мере, 76,58%, и самые длинные интроны среди всех секвенированных видов из-за вставок мобильных элементов."
Решение задачи секвенирования того стоило по целому ряду причин. Одно из них, безусловно, связано с его статусом «живого ископаемого», который принадлежит нескольким другим видам, включая мечехвоста и наутилуса. Как единственный выживший представитель очень необычной группы нецветковых растений, появившихся по крайней мере 270 миллионов лет назад, гинкго сохранил черты на протяжении миллионов лет, такие как символические веерообразные листья, которых нет ни у одного другого растения. выжившие виды растений выживают. Кроме того, он занимает уникальное положение в эволюционном древе растений.
Профессор Юньпэн Чжао, один из авторов из Чжэцзянского университета, объясняет, почему это эволюционное положение представляет большой интерес для исследователей: «Гингкго представляет собой одну из пяти живых групп семенных растений и не имеет живых родственников. Такой геном заполняет основной филогенетический пробел наземных растений и обеспечивает ключевые генетические ресурсы для решения эволюционных вопросов, таких как филогенетические отношения линий голосеменных растений, эволюция генома и генов наземных растений, инновации признаков развития, эволюция пола, а также история демография и распространение, устойчивость и сохранение гинкго."
Исследователи также очарованы устойчивостью гинкго к неблагоприятным условиям - стоит отметить, что деревья гинкго были одним из немногих живых существ, переживших взрыв атомной бомбардировки Хиросимы. Эта выносливость, вероятно, помогла гинкго пережить периоды оледенения в Китае, которые убили многие другие виды, а также может способствовать долговечности отдельных деревьев, некоторые из которых, согласно сообщениям, живут до нескольких тысяч лет. Гинкго также способен защищаться от широкого круга нападающих, используя целый арсенал химического оружия против насекомых, бактерий и грибков.
Чтобы лучше понять защитные системы гинкго, авторы проанализировали репертуар генов, присутствующих в геноме, которые, как известно, играют роль в отражении нападений. Первоначальный анализ более чем 40 000 предсказанных генов дерева показал широкое распространение семейств генов, которые обеспечивают различные защитные механизмы. Гены, обеспечивающие устойчивость к патогенам, часто дублируются. Кроме того, гинкго обладает двойным нокаутирующим ударом в борьбе с насекомыми, синтезируя химические вещества, которые непосредственно борются с насекомыми, и выделяя летучие органические соединения, которые специально привлекают врагов растительноядных насекомых. Эти результаты показали, что наличие нескольких механизмов - расширение семейств генов, более высокие дозы определенных генов и универсальность его защитных генов - может быть связано с необычайной устойчивостью гинкго. Затем эта информация может быть полезна для понимания системы защиты растений с целью повышения продовольственной безопасности.