Это вопрос стоит перед биологами, изучающими эволюционную историю цветковых растений, называемых покрытосеменными, или ангиоспермами. Стремительная диверсификация покрытосеменных растений была такой запутанной, что проблему её осмысления Дарвин квалифицировал как «ужасную тайну».
В этом году American Journal of Botany (AJB) и Applications in Plant Sciences (APPS) посвятили свои июльские выпуски тому, что в последние годы стало поворотным пунктом в ходе научного исследования связей между цветковыми растениями. В рамках научной инициативы, получившей название Angiosperms353, удалось объединить новые и инновационные методы секвенирования ДНК с использованием генетической информации из огромной базы данных 1KP. На создание этой базы данных, содержащей информацию о ДНК более чем 1000 видов растений (1KP означает «1000 plants»), международной команде учёных потребовалось целых десять лет.
«Использование этих последовательностей генов в качестве стандартного инструмента позволило ставить новые вопросы, которые не могли рассматриваться раньше», — отмечает доктор Мэттью Джонсон (Matthew Johnson), доцент Техасского технологического университета (Texas Tech University), директор университетского гербария и один из создателей архитектуры Angiosperms353.
Больше пользы для филогенетики
До сих пор генетикам при планировании работы приходилось выбирать из двух опций: брать немного ДНК, чтобы исследовать многие организмы, или, напротив, много ДНК, чтобы исследовать немногие организмы.
После того, как в середине 60-х годов ХХ века началось секвенирование ДНК, учёные в основном использовали первую опцию. Они взялись рисовать древо жизни, сравнивая генетические последовательности, широко представленные у представителей разных видов. Секвенирование по методу Сэнгера (Sanger), названное так в честь его создателя, использовалось для того, чтобы реконструкцию процесса эволюции можно было осуществлять путём исследования небольшого количества генов, что сродни попыткам понять, как живёт страна, посетив лишь её столицу.
Благодаря появлению на рубеже веков секвенирования нового поколения некоторые исследователи стали специализироваться на использовании противоположного подхода, стараясь тщательно реконструировать весь генетический код одного организма. В 2003 году был реализован проект «Геном человека» — первое успешное тестирование данного подхода, ознаменовавшее выход геномики на новый уровень развития.
Сегодня в большинстве лабораторий используют, в основном, секвенирование нового поколения, а не старые технологии. Однако для многих исследователей цена этого прогресса всё ещё непомерно высока. И хотя знать генетический код всего генома весьма кстати, если нужно найти ответ на ряд специфических вопросов, например о функционировании белков и клеток на молекулярном уровне, сравнение геномов — неэффективный способ исследования взаимосвязей.
Чтобы преодолеть отмеченные проблемы, исследователи взяли на вооружение таргетное секвенирование (захват целевой последовательности генов). Это — метод, в рамках которого секвенирование нового поколения используется для более эффективного исследования определённых множеств, состоящих из сотен генов. В течение последних лет популярность данного метода работы с ДНК стремительно росла, ибо он позволил учёным, рисующим ветви и листья древа жизни, углублять и расширять знания о внутри- и межвидовых связях.
Но дело усложняется тем, что таргетное секвенирование, по сравнению с прежним, сэнгеровским, всё ещё имеет крупный недостаток: до сих пор нет широко представленного стандартного набора генетических последовательностей, с которым можно сверяться в ходе разнообразных исследований и на который можно опираться, подводя итоги. Всякий раз, когда нужно подвергнуть анализу эволюционные паттерны какой-то группы организмов, исследователи, чтобы извлечь генетическую информацию, вынуждены разрабатывать новые способы зондирования.
«Эти стремительно набирающие популярность методы геномики позволяют отлавливать сотни генов; однако разрабатывать необходимые для их применения зонды дорого и сложно, и, как правило, разработанный способ зондирования годится лишь для какой-то определённой группы», — говорит доктор Уильям Бейкер (William Baker), старший ведущий исследователь Королевских ботанических садов Кью (Royal Botanic Gardens, Kew) и ведущий гостевой редактор специального выпуска AJB.
Указанный недостаток препятствует развитию крупномасштабных исследований эволюционной истории растений, но биологи давно заметили его. В течение десяти последних лет они усердно искали пути решения данной проблемы, и в 2019 году были созданы два комбинированных набора зондов — Angiosperms353 для цветковых растений и GoFlag для групп, включающих папоротники и мхи. Сейчас учёные начинают пожинать плоды своего упорного труда.
«Angiosperms353 нацелен на какой-то стандартизированный набор генов, а это означает, что опубликованные данные можно неоднократно использовать и обобщать, чтобы сделать их „гораздо более полезными для филогенетики“», — говорит Бейкер.
Зона всплеска
Ботаники сразу же взялись использовать зонды Angiosperms353. Результаты 20 исследований, опубликованные в вышеупомянутых специальных выпусках, дают широкую картину разнообразия покрытосеменных растений, охватывая более 500 родов и в несколько раз больше видов. Вдобавок, в каждом из этих исследований благодаря широкой пригодности зондов исследованная группа растений рассмотрена с использованием разных масштабов.
Цветковые растения существуют 140 миллионов лет, но за это время многие из генетических последовательностей, которым соответствуют зонды Angiosperms353, изменились незначительно. Эти участки ДНК очень медленно накапливают мутации, в силу чего весьма полезны при выяснении основных ответвлений древа жизни покрытосеменных растений.
Другие последовательности мутируют гораздо быстрее — так быстро, что, какой вид растений ни возьми, двух одинаковых последовательностей не найдёшь. И хотя большинство зондов соответствуют тем участкам ДНК, которые активно используются клетками при создании белков, эти зонды прикрепляются и к маленьким кусочкам ДНК, замыкающим с обеих сторон цепь кодирования белка, — к регионам, образно называемым «зонами всплеска».
Эти замыкающие регионы не принимают активного участия в кодировании белков; как именно они функционируют, учёные до сих пор точно не выяснили. Известно всё же, что эти некодирующие участки ДНК быстро мутируют — как те типы генов, которые используются для судебно-медицинского тестирования в криминалистических лабораториях. Ботаники могут использовать их, изучая тесные отношения близкородственных видов или выявляя у особей паттерны генетического разнообразия, то есть делая работу, без которой невозможно грамотно рисовать веточки и листья на древе жизни и обеспечивать эффективной дорожной картой усилия по сохранению растений.
Прошлое, настоящее и будущее
Кроме того, важное преимущество таргетного секвенирования по сравнению с прежними технологиями состоит в том, что его можно надёжно использовать при исследовании старых ДНК. Чрезвычайно важное значение этого его свойства станет понятным, если учесть, что, согласно некоторым оценкам, из 70 000 или около того всё ещё не открытых видов растений большинство уже собрано и хранится в гербариях. Некоторые виды, такие как Miconia abscondita, были обнаружены только благодаря генетическому анализу тканей из гербариев уже после того, как исчезли в дикой природе. А ещё учёные многократно анализировали растительные сообщества прошлых веков, чтобы узнать реакцию растений на изменение климата.
Исследования, представленные в данных выпусках, позволяют заглянуть в будущее филогенетики растений — туда, где исследователи смогут получать огромные количества данных за крохотную долю времени, которое потребовалось бы всего 20 лет назад. По мнению Бейкера, это будущее выглядит блестяще. В конце этого года он опубликует полученные с помощью Angiosperms353 данные о более чем 7000 родов цветковых растений. Совместно с Королевскими ботаническими садами Кью он и несколько его коллег применили новый набор зондов для построения древа жизни растений в рамках проекта PAFTOL. Вдобавок Бейкер помог запустить бесплатный репозиторий под названием Kew Tree Life Explorer для хранения и распространения растущего количества генетических данных, поступающих из всех уголков мира от использующих эти зонды исследователей.
«В ходе постепенного продвижения к нашей общей цели — к завершению создания древа жизни для всех видов — проведённая стандартизация целевых генов будет приносить нам дивиденды на протяжении многих лет», — говорит Бейкер.
Источник: 22century.ru
