Митохондриальный геном лиственницы оказался самым большим в мире

Ученые из России проанализировали митохондриальный геном (митогеном) лиственницы. Оказалось, что он самый большой среди всех известных живых организмов. Митогеном находится в митохондриях — своего рода «энергетических станциях» клеток. Он представлен митохондриальной ДНК (мтДНК), которая содержит несколько десятков генов белков, необходимых в выработке энергии. Тем не менее вопрос, почему у лиственницы такой большой митогеном, остается открытым. Исследование опубликовано в журнале BMC Genomics.

Относительно недавно науке стало известно, что у растений размеры митогенома намного больше, чем у людей и животных. К примеру, у всех млекопитающих около 16 тысяч пар нуклеотидов (п. н.), а репчатый лук содержит приблизительно 316 тысяч п. н. В то же время секвенированный митогеном сибирской лиственницы насчитывает 11,7 миллиона нуклеотидов. Причины этих существенных различий до сих пор полностью не изучены. Возможно, подобные особенности лежат в основе свойств, которые отличают растения от животных. К примеру, хвойные растения обладают рекордной продолжительностью жизни и повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам окружающей среды. Изучение геномов данных растений может раскрыть механизмы этих особенностей и их дальнейшее применение, например в селекции и биомедицине.

Выбор исследователей не случайно пал на сибирскую лиственницу. Она — ключевой лесообразующий вид экосистем Сибири. Ученые из лаборатории генетической инженерии растений Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН под руководством Юрия Константинова выделили неповрежденные митохондрии и получили ДНК, обогащенную митохондриальной фракцией. После этого исследователи из лаборатории лесной геномики СФУ под руководством профессора Константина Крутовского использовали новейшие технологии секвенирования для расшифровки последовательности нуклеотидов этой ДНК и затем с помощью сложного биоинформатического анализа совместно с исследователями центра высокопроизводительных вычислений СФУ под руководством доцента Дмитрия Кузьмина сумели собрать эти последовательности в единый митогеном и определить его генный состав: кодирующие и некодирующие части.

«На первом этапе, используя высокопроизводительный секвенатор, мы получили огромное количество коротких прочтений мелких фрагментов генома, которые потом необходимо было собрать вместе правильным образом в исходную последовательность генома, для чего мы использовали специальные компьютерные алгоритмы. Кроме этого, мы выделили высококачественную высокомолекулярную фракцию ДНК и использовали новейший секвенатор последнего поколения на основе технологии нанопорового секвенирования, что позволило нам получить очень длинные прочтения нуклеотидных последовательностей митогенома и сильно облегчило его сборку. Используя эти два подхода, мы смогли собрать митогеном общей длиной 11 662 539 нуклеотидов. Кроме того, мы определили 40 генов, кодирующих белки, 34 гена тРНК и 3 рРНК — примерно такое же количество генов содержится и в митогеномах многих других растений», — рассказывает руководитель проекта Константин Крутовский.

Остается загадкой, почему у лиственницы такой большой митохондриальный геном. По словам ученых, на размер митогенома растений могут влиять мобильные генетические элементы и плазмиды — фрагменты ДНК, способные «встраиваться» и перемещаться внутри генома.

«Однако маловероятно, что плазмиды внесли большой вклад, поскольку обнаружено относительно мало плазмидоподобных вставок: 0,11% от всего митогенома. К мобильным генетическим элементам же можно отнести около 11,14% всего митохондриального генома. С другой стороны, хотя и принято считать, что гены митохондрий эволюционируют медленнее, чем пластидные или ядерные, есть сообщения о том, что скорость, с которой митогеномы растений накапливают замены, может существенно различаться как между генами, так и между видами», — объясняет участница исследования и соавтор статьи, аспирантка кафедры геномики и биоинформатики СФУ Евгения Бондар.

«В России нет других лабораторий, специализирующихся на секвенировании и сборке геномов, которые длиннее человеческого. А у хвойных растений геном в 5–10 раз больше нашего. Кроме того, митогеномы растений уникальны своими размерами и непохожестью у разных видов, и их изучение может помочь человечеству понять особенности эволюции растений, в частности хвойных, и генетические механизмы их уникального долголетия и устойчивости к экстремальным погодным условиям, таким, например, как засуха и низкие температуры», — заключает другая участница исследования и ведущий автор статьи, отрудница кафедры биофизики СФУ Юлия Путинцева.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.