Mały gatunek paproci, Tmesipteris oblanceolataznaleziony na wyspach Nowej Kaledonii na południowym Pacyfiku, dzierży obecnie rekord największego znanego genomu. Nowe badania ujawniają, że genom paproci jest ponad 50 razy większy od genomu człowieka i około 7 procent większy od genomu poprzedniego rekordzisty, japońskiego kwiatu Paryż japoński.

Gigant wśród genomów

Wydaje się niezwykle nielogiczne, że tak mała i prosta roślina mogłaby przechowywać tak oszałamiającą ilość informacji genetycznych. Jednak rośliny są po prostu dziwne, jeśli chodzi o genetykę. Po pierwsze, nie wszystkie rośliny mają duże genomy. Najmniejsze genomy roślin mogą być 2500 razy mniejsze od największych. Po drugie, bardziej złożone rośliny niekoniecznie mają większe genomy. Na przykład genom dębu jest zaskakująco ponad 100 razy mniejszy niż genom słynnej świątecznej rośliny, jemioły.

Ogólnie rzecz biorąc, rośliny mogą mieć duże genomy poprzez kilka kluczowych procesów. Jednym z głównych czynników jest poliploidia, w której rośliny dziedziczą wiele zestawów chromosomów, w przeciwieństwie do pojedynczej pary homologicznych chromosomów, zwiększając w ten sposób rozmiar genomu. Innym czynnikiem jest akumulacja powtarzających się sekwencji DNA. Sekwencje te mogą obejmować elementy transpozycyjne, które są segmentami DNA, które mogą przemieszczać się w obrębie genomu, tworząc kopie samych siebie i rozszerzając genom. Ponadto duży rozmiar genomu może być wynikiem duplikacji całego genomu, które miały miejsce wielokrotnie w historii ewolucji roślin, prowadząc do ekspansji i złożoności genomu.

Ogólnie rzecz biorąc, rośliny wydają się mieć większe genomy niż zwierzęta. Największy genom zwierzęcy należy do australijskiej ryby dwudysznej, zagrożonego gatunku oddychającego powietrzem. Jest ona spokrewniona z pierwszą „rybą lądową”, która ewoluowała w pierwsze zwierzęta lądowe ponad 380 milionów lat temu. Australijska ryba dwudyszna ma 43 miliardy par zasad, co jest 14 razy więcej niż genom człowieka, ale nadal prawie trzy razy mniej niż genom T. lancetowata. Duże genomy w roślinach mogą zapewnić im większy zestaw narzędzi genetycznych do adaptacji do różnych środowisk. Może to być krytyczne, ponieważ rośliny nie mogą się poruszać i muszą reagować na stresy środowiskowe na miejscu.

Tajemnica rozmiaru genomu

Poprzednie badania sugerowały, że paproć widełowa (Tmesipteris) mają nienaturalnie duże genomy, co skłoniło zespół kierowany przez Jaume Pellicera, biologa ewolucyjnego z Instytutu Botanicznego w Barcelonie, do dalszych badań. W tym celu naukowcy zsekwencjonowali genomy sześciu gatunków paproci widlastej z Nowej Kaledonii. Wyizolowali jądra z komórek paproci i zabarwili ich DNA barwnikiem fluorescencyjnym, aby zmierzyć wielkość genomu.

Ich wysiłki wykazały, że T. lancetowata ma genom składający się ze 160 miliardów nukleozasad. Ta paproć zwykle rośnie na większych roślinach leśnych i osiąga długość zaledwie 15 centymetrów.

Odkrycie T. lancetowataOgromny genom prowokuje intrygujące pytania o biologiczne granice rozmiaru genomu. Utrzymanie tak ogromnego genomu nie jest bezkosztowe. Za każdym razem, gdy komórka się dzieli, musi zreplikować swoje DNA. Im większy genom, tym więcej energii musi wydać organizm. W przypadku tej paproci widlastej, gdyby rozpakować jej DNA, roślina musiałaby zreplikować prawie 100 metrów (328 stóp) DNA podczas każdego podziału komórkowego.

Nasuwa się pytanie: dlaczego T. lancetowata ewoluować tak niesamowicie duży genom? Naprawdę nie wiemy, ale powtarzające się wąskie gardła genetyczne mogły odegrać rolę. Rośliny, które przeszły przez wiele cykli bliskiego wyginięcia, mogły zgromadzić wiele szkodliwych mutacji i „śmieciowego DNA”, które mogło być przydatne miliony lat temu, ale dziś nie ma żadnej użytecznej funkcji.

Kamień milowy w nauce ewolucji genomu

Zrozumienie, w jaki sposób gen jest kopiowany T. lancetowata porównanie z tymi w mniejszych genomach, jak niektóre paprocie wodne, może pomóc wyjaśnić ewolucję ekstremalnych rozmiarów genomu. Dlatego katalogowanie genomów jak największej liczby gatunków jest ważne, szczególnie w przypadku gatunków mniej widocznych. Przez cały ten czas pozornie skromny wygląd paproci widlastej skrywał genetyczny cud. Kto wie, co naukowcy odkryją następnym razem?

„Nasze odkrycie największego genomu w T. lancetowata „stanowi wyjątkowy kamień milowy w tej dziedzinie, identyfikując ten gatunek jako kluczowy zasób dla przyszłej szczegółowej analizy genomicznej, dzięki której możemy w pełni zrozumieć ekologiczne i ewolucyjne konsekwencje różnorodności wielkości i architektury genomu u eukariontów, zwłaszcza w obliczu trwającej utraty różnorodności biologicznej i zmian klimatycznych”, napisali autorzy nowego badania.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie iNauka.