Супергены помогают подсолнухам выживать

Умение подсолнечников приспосабливаться к сложным условиям среды зависит от больших генетических комплексов, превосходящих по размеру человеческие хромосомы.

Гены существуют в разных вариантах, или аллелях. Иногда у какого-нибудь гена возникает вариант, несовместимый с жизнью, иногда, наоборот, появляется вариант, который помогает приспособиться к определённым условиям среды – например, к недостатку кислорода, или к засушливой и жаркой погоде, и пр.

Но умение выжить в тех или иных условиях редко зависит от какого-то одного-единственного гена; тут нужен комплексный подход. Конечно, среди генов есть такие, которые управляют активностью других генов. Но даже с учётом подобных генов-регуляторов для лучшего приспособления к среде всё равно нужен комплект генетических вариантов. Однако мы знаем, что при половом размножении гены перемешиваются: когда образуются половые клетки, хромосомы обмениваются участками в ходе сложного молекулярного процесса – кроссинговера, так что, например, пара генов (точнее, вариантов генов), находившиеся по соседству на одной хромосоме, оказываются на разных хромосомах, которые расходятся по разным клеткам.

С другой стороны, есть так называемое сцепленное наследование, когда некоторые гены склонны вместе переходить из поколение в поколение. Некоторые гены сцепляются друг с другом слабее, некоторые сильнее – это зависит от их расположения друг относительно друга. Наконец, есть то, что называют супергенами – очень большие комплексы генов, которые таким комплексом передаются от родителей к потомству. Очевидно, такие супергены дают значительное преимущество в смысле выживания, так что клеточный аппарат, занимающийся перемешиванием генов, не расцепляет их, несмотря на их величину.

Сотрудники Университета Британской Колумбии проанализировали более полутора тысяч полных геномов из разных популяций трёх видов подсолнечника: подсолнечника однолетнего, подсолнечника черешкового и подсолнечника остролистного. Исследователи искали связь между генами и особенностями растений, одновременно учитывая характер почвы и климата той местности, откуда растения произошли.

В статье в Nature говорится, что у подсолнечников есть как минимум 37 супергенов, которые дают растению тот или иной комплекс признаков. Например, суперген может определять время цветения, размер семян и способность противостоять засухе, или расти на бедной, неплодородной почве. Самый большой из подсолнечниковых супергенов включал 1819 генов и превосходил по размеру большинство человеческих хромосом.

Супергены помогали растениям приспособиться к определённой местности, причём они давали подсолнечникам сразу всё, что им может понадобиться. Например, популяции подсолнечника остролистного, растущие на полях рядом с морским побережьем, отличались по супергенам от популяций с прибрежных барьерных островов – между ними была разница в цветении в два с половиной месяца. В свою очередь, свои супергены были у тех подсолнечников, которые освоили неплодородные песчаные дюны.

Но самое главное, что эти супергены могут переходить от вида к виду. Тот суперген, который заставлял подсолнечник остролистный с островов цвести раньше, пришёл к нему от подсолнечника однолетнего; в некоторых случаях большие комплексы генов пришли от каких-то уже вымерших видов. Однако, так или иначе, на примере подсолнечников авторам работы удалось показать, что супергены могут играть довольно большую роль в эволюции. Например, благодаря супергенам могут разойтись две популяции, живущие бок о бок друг с другом и не разделённые никакими препятствиями – например, одна из популяций, получив некий комплекс генов, сможет занять менее плодородные земли, а потом и вообще стать новым видом, по мере накопления новых генетических различий.

Кроме супергенов, исследователи обнаружили также ряд обычных генов, которые работают в том же ключе, что и генетические комплексы, то есть регулируют устойчивость к засухе, помогают подсолнечникам выживать на неплодородной почве и пр. Значение отдельных генов в том, что они делают растение более пластичным, то есть если супергены дают некую базу в умении выжить в определённой среде, то обычные гены помогают адаптироваться к отклонениям, которые неизбежно имеют место в любых условиях обитания.