Ученые из Китая полностью пересобрали ДНК бананов и обнаружили, что их предки имели 17 хромосом вместо современных 9–11. Это фундаментальное открытие не только объясняет, почему прицветники бананов бывают всех цветов радуги, но и указывает путь к спасению любимого фрукта от глобального вымирания.
Исследование было проведено учеными из Южно-Китайского ботанического сада (SCBG) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с исследователями из Сычуаньского университета и других учреждений. Результаты их работы опубликованы в журнале Current Biology.
Семейство банановых (Musaceae) включает около 80 существующих видов, отличающихся значительным разнообразием по числу оснований хромосом (n = 11, 10 и 9) и цвету прицветников — прицветник представляет собой специализированный лист, связанный с цветком или соцветием.
Среди этого семейства наиболее известным представителем, несомненно, является культивируемый банан (Musa spp.). Он обеспечивает продовольствием более 400 миллионов человек и является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в тропических и субтропических регионах.
Однако современные культурные сорта в значительной степени зависят от вегетативного размножения , что приводит к узкой генетической базе и низкому генетическому разнообразию, делая их особенно уязвимыми для разрушительных болезней. Для преодоления этих проблем исследователям необходимо обратиться к диким родственникам культурных бананов, чтобы изучить нераскрытый потенциал их хромосомной структуры, генетической изменчивости и адаптивных признаков.
Бананы, которые мы покупаем в магазинах (сорт Кавендиш), триплоидны и стерильны — в них нет семян. Их размножают исключительно вегетативно (черешками или микроклонированием в лабораториях). Это означает, что все миллиарды кустов Кавендиша на планете — генетические клоны одного исходного растения. Из-за отсутствия генетического разнообразия, если патоген научился убивать один куст, он может уничтожить все плантации в мире. Прямо сейчас мировой банановой индустрии угрожает почвенный гриб TR4 (Tropical Race 4), вызывающий Панамскую болезнь, перед которым Кавендиш беззащитен. В XX веке точно так же гриб уничтожил предыдущий главный коммерческий сорт Грос-Мишель.
Дикие бананы размножаются семенами (они полны твердых «косточек»), поэтому обладают огромным генетическим разнообразием. У них есть естественный иммунитет ко многим болезням. Реконструкция их кариотипа и генома, проведенная китайскими учеными, — как раз поиск тех «архивных» генов, которые можно внедрить в культурные сорта для их спасения.
В этом исследовании ученые сначала создали высококачественную, без пробелов, сборку генома Musa exotica, раннего вида декоративного банана, с показателем N50 контигов 47,41 Мб. Интегрировав эту сборку генома с доступными геномами Musaceae, исследователи провели всесторонний сравнительный геномный анализ и реконструировали предковый кариотип Musaceae (AMK), определив предковое гаплоидное число хромосом n = 17.
Сборка «без пробелов» (gap-free) означает использование современных технологий длинного секвенирования (PacBio HiFi и Oxford Nanopore). Показатель N50 = 47,41 Мб — исключительно высокий маркер качества для растений. Ученые показали, что половина собранного генома содержится в непрерывных кусках (контигах) длиной более 47 миллионов пар нуклеотидов. Это уровень хромосомной сборки.
AMK расшифровывается как Ancestral Musaceae Karyotype. Ученые математически и эволюционно доказали, что у общего предка всех банановых было именно 17 хромосом, которые затем сливались.
«Высококачественный геном T2T является важной основой этого исследования. Геном предоставляет надежную основу для сравнения хромосомных структур между видами Musaceae и поддерживает последующую реконструкцию кариотипов предков и сравнительный анализ», — сказал Хуан Хуйрун из SCBG, соавтор, ответственный за переписку.
По словам исследователей, реконструкция исходного кариотипа дополнительно выявила поэтапное сокращение числа хромосом в ходе эволюции семейства Musaceae.
«Реконструированный кариотип предков обеспечивает объективную основу для сравнения хромосомных структур между видами Musaceae и позволяет делать выводы об их эволюционных траекториях. Он также служит ориентиром для дальнейшего понимания генетической информации, сохраняемой дикими сородичами, и ее потенциальной ценности для использования», — сказал Фу Нин из SCBG, один из соавторов статьи.
Исследователи обнаружили, что существующие хромосомные наборы n = 11, n = 10 и n = 9 возникли не независимо, а эволюционировали постепенно из исходного кариотипа n = 17 посредством множественных хромосомных перестроек, включая реципрокную транслокацию хромосом (RCT), соединение концов хромосом (EEJ) и вложенное слияние хромосом (NCF).
Механизмы сокращения хромосом (n = 17 → 11, 10, 9) через RCT, EEJ и NCF
RCT (Reciprocal Chromosome Translocation) — взаимный обмен участками между хромосомами. EEJ (End-to-End Joint) — соединение хромосом «конец в конец». NCF (Nested Chromosome Fusion) — вложенное слияние, когда одна хромосома «встраивается» внутрь другой.Именно эти три механизма обеспечили «упаковку» ДНК из 17 хромосом в меньшее количество.
Эта эволюционная траектория в значительной степени соответствовала филогенетическим связям, основанным на ДНК, предоставляя новые независимые доказательства, полученные на основе структуры хромосом, для понимания эволюционных взаимосвязей между основными линиями семейства Musaceae.
Основываясь на реконструкции эволюционных траекторий хромосом, исследователи дополнительно изучили потенциальную взаимосвязь между структурными изменениями хромосом и дифференциацией цвета прицветников.
Было обнаружено, что области разрывов, связанные с перестройками, значительно обогащены генами, участвующими в биосинтезе антоцианов и его регуляции, включая структурные гены, такие как халконовая синтаза (CHS) и флаванон-3-гидроксилаза (F3H), а также транскрипционные факторы, такие как MYB и bHLH.
Интегративный транскриптомный анализ прицветников разного цвета дополнительно выявил скоординированную экспрессию ключевых генов биосинтеза антоцианов, включая CHS, CHI, F3′5′H и ANS. Различия в их экспрессии были в основном связаны с транскрипционной регуляцией, а не с простыми изменениями дозы генов.
Когда хромосомы ломались и сливались (процессы RCT, EEJ, NCF), точки разрывов пришлись на участки ДНК, где плотно сгруппированы гены, отвечающие за окраску. Антоцианы — это растительные пигменты, которые окрашивают ткани в цвета от розового и красного до фиолетового и синего. Изменение цвета произошло не потому, что при слиянии хромосом каких-то генов стало физически больше или меньше (доза гена), а потому, что перестройка хромосом изменила «окружение» этих генов, заставив регуляторные белки управлять ими иначе (интенсивнее или слабее).
Эти результаты позволяют предположить, что эволюция структуры хромосом может вносить вклад в генетическую основу дифференциации цвета прицветников путем изменения геномной среды и регуляторных сетей.
Как отметили исследователи, благодаря сопоставлению эволюции структуры хромосом с дифференциацией цвета прицветников, исследование также предоставляет новые сведения о генетической регуляции окраски декоративных бананов и использовании дикого генофонда растений семейства Musaceae.
«Это исследование связывает структурные вариации хромосом с дифференциацией цвета прицветников, предоставляя новый взгляд на понимание генетической основы окраски прицветников у декоративных бананов и предлагая новые подсказки для будущего улучшения с использованием геномных данных», — сказал Ван Синьфэн из SCBG, соавтор исследования.
Источник: Chinese Academy of Sciences.
На фото вы видите соцветие и яркие прицветники Musa exotica в оранжерее Южно-Китайского ботанического сада, Гуанчжоу, Китай. Автор фото: Фу Нин.