Растения пережили динозавров благодаря удвоению генома

Шестьдесят шесть миллионов лет назад астероид размером с Эверест врезался в Землю. Нептичьи динозавры исчезли. Треть всей жизни на планете погибла. Но растения выжили. Ученые давно гадали — как цветам удалось пережить то, что убило гигантов? Новое исследование, опубликованное в журнале Cell, дает ответ: сработал механизм удвоения генома.

У большинства организмов по два набора хромосом — один от отца, один от матери. Но у цветковых растений многие виды несут дополнительные наборы. У бананов их три. У пшеницы — до шести. Это состояние называется полиплоидией. В стабильных условиях дополнительные наборы хромосом часто становятся обузой. Растению требуется больше питательных веществ, чтобы поддерживать увеличенный геном. Выше риск вредных мутаций. Страдает фертильность.

Поэтому в природе закрепляется лишь малая часть таких мутаций. Но в моменты глобальных катастроф ситуация меняется на противоположную.

Что показал анализ 470 видов

Команда под руководством Ива Ван де Пира из Гентского университета проанализировала геномы 470 видов цветковых растений, создав один из крупнейших массивов данных такого рода. Ученые искали блоки генов, которые встречаются почти идентичными парами — маркер недавнего удвоения всего генома. Затем они сопоставили эти данные с информацией из 44 окаменелостей растений, чтобы определить, когда именно происходили удвоения.

Результат оказался неожиданным. Гены, которые закреплялись в эволюции и доживали до наших дней, происходили из удвоений, произошедших в периоды глобальных экологических катастроф. Ученые выделили три таких периода. Первый — падение астероида 66 миллионов лет назад, уничтожившее динозавров. Второй — несколько периодов глобального похолодания, когда экосистемы коллапсировали. Третий — палеоцен-эоценовый термический максимум около 56 миллионов лет назад, период быстрого глобального потепления.

Как это работает

В нормальных условиях растение с увеличенным геномом проигрывает соседям с «экономным» набором хромосом. Оно тратит больше ресурсов на поддержание ДНК, медленнее растет, хуже размножается. Но когда условия резко меняются — становится слишком жарко, слишком холодно, воздух наполняется пеплом и сажей, а солнечный свет не пробивается к земле — эти недостатки могут превратиться в преимущества.

Дополнительные копии генов означают дополнительный материал для эволюции. Пока обычные растения гибнут от стресса, полиплоидные могут быстрее мутировать и адаптироваться. Один из генов-дублеров сохраняет старую функцию, второй — приобретает новую, позволяя растению выживать там, где раньше оно погибало.

Что это значит для сегодняшнего дня

Палеоцен-эоценовый термический максимум был последним случаем быстрого глобального потепления в истории Земли. За сто тысяч лет температура поднялась на 5-9 градусов по Цельсию. По темпам это сравнимо с тем, что происходит с планетой сейчас — с той разницей, что сегодняшнее потепление идет в десятки раз быстрее.

Ван де Пир отмечает: то, что мы видим из прошлого, указывает на то, что удвоение генома может помочь растениям справляться с экстремальными условиями. Вопрос в том, успеют ли они адаптироваться к нынешним темпам изменений, которые во много раз превосходят всё, с чем жизнь сталкивалась за миллионы лет.

Если удвоение генома помогало растениям выживать в катастрофы на протяжении сотен миллионов лет, означает ли это, что сегодняшнее изменение климата, каким бы быстрым оно ни было, тоже не уничтожит растительный мир полностью? Ответа нет. Но ясно одно: механизм выживания у растений есть. Вопрос в том, сработает ли он достаточно быстро — или катастрофа развернется быстрее, чем эволюция успеет нажать на спасательный рычаг.