Как сильно можно сократить геном арабидопсиса?

Геномы растений на протяжении своей эволюционной истории претерпели множество полногеномных дупликаций. У многих видов сохранились дуплицированные геномные сегменты, или блоки синтении. Авторы статьи в PNAS показали, что делеция таких дуплицированных блоков генома далеко не всегда мешает формированию жизнеспособного растения.

Эксперименты проводили на арабидопсисе (Arabidopsis thaliana). Будучи хорошо изученным модельным объектом, геном которого среди всех растений аннотирован наиболее полно, он представляет собой идеальную систему для функциональных анализов такого рода.

A. thaliana претерпел полногеномную трипликацию γ, за которой последовали две более дупликации β и α. Хотя геном вернулся к диплоидному состоянию, в нем сохранились крупные блоки синтении. Исследователи выбрали в геноме арабидопсиса четыре участка, избегая генов, нокаут которых летален. Всего они отобрали четыре крупных блока с дупликациями.

Направленную делецию выбранных блоков ученые провели с помощью SpCas9. Они удалили следующие участки генома арабидопсиса:

• блок 271 (pAP141) протяженностью 115 тысяч пар оснований (т.п.о.) и содержащий 27 генов и 8 транспозонов;

• блок 324 (pAP147) протяженностью 151 т.п.о. и содержащий 32 гена и 4 транспозона или других мобильных элемента;

• блок 438 (pAP142) протяженностью 250 т.п.о. и содержащий 16 генов и 34 мобильных элемента;

• блок 268 (pAP146): протяженностью 684 т.п.о. и содержащий 60 генов и 112 мобильных элементов.

Исследователи отмечают, что большинство генов в этих блоках охарактеризованы недостаточно, и их влияние на фенотип неизвестно. Это делает их особенно ценными для анализа функциональных последствий удаления дуплицированных участков генома.

Делецию подтверждали с помощью секвенирования по Сэнгеру, полногеномного секвенирования и ПЦР. Три из четырех делеций — pAP141, pAP142 и pAP146 — удалось получить в гомозиготе. У растений с делецией pAP141 или pAP142 выраженно менялся фенотип: они были меньшего размера, а их листья приобретали заостренную или зазубренную форму и были окрашены бледно. Тем не менее, эти растения были жизнеспособны и фертильны, а делеция целевого участка сохранялась и при утере SpCas9, указывая на стабильность внесенных изменений. При делеции pAP146 дефекты развития были более выраженными и приводили к стерильности, однако такие мутанты по-прежнему оставались жизнеспособны. Наконец, делецию pAP147 исследователи смогли получить только в гетерозиготном состоянии. По-видимому, этот блок содержал ранее не описанные жизненно важные гены.

Делеция блока pAP146 (684 тысяч пар оснований) сильно меняет фенотип арабидопсиса по сравнению с контролем, но не лишает его жизнеспособности.
Credit:
PNAS (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419744122 | CC BY

Секвенирование РНК растений с делециями pAP141 или pAP142не выявило значительно дозовой компенсации — экспрессия паралогов делетированных генов практически не менялась в большинстве случаев. Небольшое, но статистически значимое повышение экспрессии наблюдалось для паралога одного из удаленных рибосомальных генов. Впрочем, авторы не исключают возможности, что компенсация происходит только в определенных тканях и типах клеток, поэтому не детектируется секвенированием тотальной РНК.

Удалив из генома арабидопсиса целые синтенные блоки, исследователи напрямую оценили функциональное воздействие утраты групп дуплицированных генов. То, насколько сильно варьировали полученные фенотипы, указывает на крайне неоднородную физиологическую значимость делеций многих дуплицированных участков и избыточность растительных геномов. В целом же направленная делеция синтенных и несинтенных областей генома представляет собой гибкую и масштабируемую платформу как для фундаментальной биологии растений, так и для прикладной биотехнологии.

Микоплазмы из глубоководных кораллов имеют меньше 400 генов, кодирующих белки

Эволюция наземных растений сопровождалась активным горизонтальным переносом генов