Когато преди 66 милиона години астероид с размерите на Еверест се сблъсква със Земята, последиците са катастрофални. Ударът унищожава всички нептичи динозаври и приблизително една трета от живота на планетата. И все пак много растения успяват да преживеят това екологично сътресение.
Ново изследване, публикувано в списание Cell, предлага възможно обяснение: случайното дублиране на геномите — естествен биологичен процес — може да е помогнало на много цъфтящи растения да оцелеят при някои от най-екстремните промени в историята на Земята.
Откритието е важно не само за разбирането на миналото. То може да даде и насоки за това как растенията биха могли да се адаптират към бързите климатични промени, които се случват днес.
Как допълнителните геноми дават предимство
„Дублирането на целия геном често се разглежда като еволюционна задънена улица в стабилна среда“, казва авторът на изследването Ив Ван де Пеер от Университета в Гент, Белгия. „Но при сурови условия то може да предостави неочаквани предимства.“
Повечето организми носят два набора хромозоми — по един от всеки родител. При цъфтящите растения обаче много видове имат допълнителни набори хромозоми, появили се в резултат на случайно дублиране на целия геном. Например повечето култивирани банани имат три набора хромозоми, докато пшеницата може да има до шест. Това състояние е известно като полиплоидия.
На пръв поглед подобна промяна може да изглежда по-скоро като тежест. По-големите геноми изискват повече хранителни вещества за поддържане, увеличават риска от вредни мутации и могат да засегнат плодовитостта. Затова в природата само малка част от дублираните геноми се запазват и се предават на следващите поколения.
Но има и друга страна. Дублирането на генома може да увеличи генетичното разнообразие, а копията на гените могат постепенно да развият нови функции. Именно тези промени биха могли да помогнат на растенията да понасят по-добре стресови фактори като жега, суша, студ или резки промени в средата.
Връзката между древните геноми и глобалните кризи
За да разберат защо някои дублирани геноми се запазват, Ван де Пеер и екипът му анализират геномите на 470 вида цъфтящи растения. Така те създават един от най-големите набори от данни от този тип.
Учените търсят групи от гени, които се срещат в почти идентични двойки — характерен знак за минали събития на дублиране на целия геном. След това сравняват тези данни с информация от 44 растителни фосила, за да изчислят кога приблизително са настъпили дупликациите.
Резултатът разкрива впечатляваща закономерност. Гените, които се запазват във времето, често произхождат от дублирания на целия геном, случили се по време на големи периоди на екологични сътресения.
Сред тях са масовото измиране след астероидния удар преди 66 милиона години, няколко периода на глобално застудяване, при които екосистемите се сриват, както и Палеоцен-еоценският термален максимум — период на бързо глобално затопляне преди около 56 милиона години.
Защо полиплоидията понякога се превръща в предимство
Откритията помагат да се обясни една дългогодишна загадка: защо полиплоидията е сравнително често срещана при растенията, но само в някои случаи се запазва в геномите им в продължение на милиони години.
Според изследователите отговорът може да се крие в самата среда. В стабилни условия по-големият и по-сложен геном може да бъде недостатък. Но при екстремни промени — внезапно застудяване, глобално затопляне, суша или разрушаване на екосистеми — същата тази сложност може да даде на растенията повече възможности за адаптация.
С други думи, това, което обикновено е биологична цена, при криза може да се превърне в еволюционно предимство.
Какво означава това за климатичните промени днес
Изследването предлага и важен поглед към бъдещето. По време на Палеоцен-еоценския термален максимум глобалните температури са се повишили с около 5 до 9 градуса по Целзий в рамките на приблизително 100 000 години. Това е мащабна климатична промяна, която може да се сравни с част от затоплянето, наблюдавано днес.
Разликата е, че сегашното затопляне се случва много по-бързо.
„Макар че настоящият климат се затопля с много по-бързи темпове, това, което виждаме в миналото, подсказва, че полиплоидията може да помогне на растенията да се справят с подобни стресови условия“, казва Ван де Пеер.
Това не означава, че растенията ще се адаптират лесно или че полиплоидията е универсално решение. Но изследването показва, че в геномите на растенията може да има скрити механизми за устойчивост, оформяни от милиони години кризи, катастрофи и възстановяване.
Генетичен шанс, превърнат в стратегия за оцеляване
Дублирането на целия геном е случайно събитие. В много случаи то може да бъде тежест за организма. Но историята на Земята показва, че при екстремни условия случайността понякога се превръща в спасителен механизъм.
За цъфтящите растения допълнителните копия на гените може да са били именно такъв шанс — генетичен резерв, който им е позволил да преживеят астероидния удар, климатични катастрофи и периоди на радикална промяна.
Днес, когато растенията отново са изправени пред бързо променяща се среда, този древен механизъм може да се окаже ключ към разбирането на тяхната бъдеща устойчивост.
