Плотоядное горбатое растение пузырчатка - изощренный хищник. Живя в болотах и прудах, он использует давление вакуума, чтобы засасывать добычу в крошечные ловушки с захватывающей дух скоростью менее миллисекунды.
Новый геномный анализ показывает, насколько ценным был этот плотоядный образ жизни для растения на протяжении всей его эволюционной истории. Исследование показало, что на протяжении миллионов лет вид Utricularia gibba неоднократно сохранял и улучшал генетический материал, связанный с его плотоядной природой, несмотря на огромное эволюционное давление, направленное на удаление ДНК.
Биологические сокровища, которые были выращены, включают гены, которые облегчают захват добычи, переваривание белков и транспортировку небольших кусочков белка (полученного из жертв пузырчатки) из одной клетки в другую.
«Что интересно, так это то, что мы не взялись и не выбрали эти гены», - говорит Виктор Альберт, доктор философии, профессор биологических наук в Университете Колледжа искусств и наук Буффало. «Мы использовали биоинформатику, чтобы идентифицировать гены, которые были сохранены и обогащены у вида, и когда мы это сделали, эти гены, связанные с плотоядным образом жизни, были теми, которые выделялись. Они кричали на нас, говоря нам смотреть на них."
«Благодаря тщательному анализу мы смогли выявить генетические признаки плотоядного растения», - говорит Стефан С. Шустер, доктор биологических наук, профессор биологических наук Наньянского технологического университета в Сингапуре.
Выводы будут опубликованы 15 мая в Proceedings of the National Academy of Sciences. Альберт и Шустер совместно руководили исследованием вместе с Луисом Эррера-Эстрелла из Центра исследований и перспективных исследований (Cinvestav) в Мексике. Другие исследователи приехали из Университета штата Сан-Диего, Эль-Институто де Экология в Мексике, Университета Оттавы в Канаде и Университета сельского и лесного хозяйства провинции Фуцзянь в Китае.
Генетическая основа хищного растения
Альберт, Шустер, Эррера-Эстрелла и их коллеги впервые сообщили о секвенировании генома пузырчатки в 2013 году, достижение, описанное в журнале Nature.
Однако, благодаря новым инструментам, доступным в области геномики, исследователи снова объединили усилия, чтобы создать еще лучшую версию генома пузырчатки для исследования 2016 года.
Техника секвенирования, которую они выбрали, представляла собой метод одной молекулы, разработанный Pacific Biosciences (PacBio). Как и другие технологии, эта считывает разные участки ДНК в геноме, а затем специальное программное обеспечение объединяет перекрывающиеся фрагменты, образуя все более и более крупные цепочки. Но метод PacBio позволил ученым улучшить геном, создав отдельные цепочки ДНК пузырчатки более чем в 40 раз длиннее, чем раньше.
Эта новая высококачественная последовательность позволила исследователям по-новому изучить геном пузырчатки.
Они смогли, например, идентифицировать важные цепочки копий генов, известные как тандемные повторы. Это фрагменты генетического материала, случайно продублированные рядом друг с другом, иногда более одного раза. Такие повторяющиеся гены часто теряются со временем по мере эволюции вида, поэтому те, которые сохраняются, являются кандидатами на то, чтобы дать своим хозяевам эволюционное преимущество.
Это особенно верно в отношении пузырчатки, говорят Альберт и его коллеги. Они отмечают, что растение имеет крошечный, богатый генами геном, свидетельствующий о том, что у этого вида была история безудержного удаления ДНК.
Тандемные повторы в геноме пузырчатки включали гены, ответственные за создание папаиновых протеаз - «белков, которые пережевывают другие белки», как выразился Альберт, - а также гены, способствующие транспорту пептидов, в которых измельченные белки (части жертв) перемещаются из одной клетки пузырчатки в другую. Обе группы генов очень активны в вакуумных ловушках растений, что указывает на их роль в переваривании добычи.
Тандемные повторы также включали гены, связанные с такими признаками, как кислотность ловушек и эластичность их клеточных стенок - качествами, которые могут способствовать эффективности растения как хищника.
«Ловушка Utricularia имеет толщину всего в две клетки, и способ ее захвата заключается в том, что она создает большое отрицательное давление внутри ловушки, чтобы засосать добычу после срабатывания», - говорит Херерра-Эстрелла. «Клеточные стенки находятся под большим напряжением. Так что неудивительно, что, кажется, есть несколько интересных кластеров тандемных дубликатов, которые связаны с динамизмом клеточных стенок».