Расшифровка генетической информации папоротника может дать нам потенциальные решения множества проблем, стоящих перед нашей планетой сегодня.
В секвенировании генома секвенирование ДНК проводится для определения порядка нуклеотидов в каждой конкретной молекуле ДНК. Этот точный порядок имеет важное значение для понимания типа генетической информации, содержащейся в ДНК. Поскольку гены кодируют белки, которые отвечают за большинство функций организма, эта информация может помочь понять влияние их функций на организм. Секвенирование полного генома организма, то есть всей его ДНК, — сложная и трудоемкая задача, которую необходимо выполнять поэтапно, разбивая ДНК на более мелкие фрагменты, секвенируя их, а затем объединяя все вместе. Например, секвенирование полного генома человека в 2003 году заняло 13 лет и обошлось в 3 миллиарда долларов США. Благодаря развитию технологий геномы можно секвенировать относительно быстрее и дешевле, используя такие методы, как секвенирование по Сэнгеру и секвенирование следующего поколения. После секвенирования и расшифровки генома открываются неограниченные возможности для выявления потенциальных областей биологических исследований и продвижения к разработке целевых приложений.
Группа из 40 исследователей из Корнельского университета и других стран мира секвенировала полный геном водного папоротника Azolla filiculoides 1,2 . Этот папоротник обычно произрастает в теплых и тропических регионах мира. Проект по раскрытию геномных секретов папоротника разрабатывался уже некоторое время и был поддержан средствами в размере 22 160 долларов США от 123 спонсоров через краудфандинговую платформу Experiment.com. В итоге исследователи получили финансирование на проведение секвенирования от Пекинского института геномики в сотрудничестве с Утрехтским университетом. Этот крошечный плавающий вид папоротника, который помещается на ногте пальца, имеет размер генома 0,75 гигабазы (или миллиарда пар оснований). Известно, что папоротники имеют большие геномы , в среднем 12 гигабаз, однако ни один из более крупных геномов папоротников до сих пор не был расшифрован. Такой сложный проект был направлен на то, чтобы дать представление о потенциальном потенциале этого папоротника.
В ходе исследования геномной последовательности папоротника Azolla, опубликованного в журнале Nature Plants, были выявлены многие интересные аспекты, которые определили направления будущих исследований потенциальных областей применения этого папоротника. Папоротник Azolla был широко распространен и произрастал на нашей планете почти 50 миллионов лет назад в районе Северного Ледовитого океана. В то время Земля была теплее по сравнению с нынешними условиями, и считалось, что этот папоротник сыграл значительную роль в поддержании прохлады планеты , поглотив около 10 триллионов тонн углекислого газа из атмосферы за 1 миллион лет. Здесь мы видим потенциальную роль этого папоротника в борьбе с глобальным потеплением, вызванным изменением климата, и в защите нашей планеты от него.
Считается также, что папоротник играет важную роль в фиксации азота — процессе, в котором свободный азот (N2) из атмосферы — инертный газ, в изобилии присутствующий в воздухе, — соединяется с другими химическими элементами для создания более реакционноспособных азотсодержащих соединений, таких как аммиак, нитраты и т. д., которые затем могут использоваться в различных целях, например, в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Данные генома свидетельствуют о симбиотических отношениях (взаимной выгоде) этого папоротника с цианобактериями Nostoc azollae. В листьях папоротника эти цианобактерии располагаются в крошечных отверстиях, и эти бактерии фиксируют азот, производя кислород , который может использоваться папоротником и окружающими растениями. В свою очередь, цианобактерии получают энергию посредством фотосинтеза растений, когда папоротник обеспечивает их топливом. Таким образом, этот папоротник потенциально может использоваться в качестве натурального зеленого удобрения и, возможно, позволит отказаться от использования азотных удобрений, способствуя внедрению более устойчивых методов ведения сельского хозяйства. Авторы утверждают, что, имея геномы как цианобактерий , так и папоротника, исследования могут быть сосредоточены на разработке и внедрении таких устойчивых методов. Примечательно, что папоротник Azolla используется азиатскими фермерами в качестве зеленого удобрения на рисовых полях уже более 1000 лет.
Исследователи также определили важный природно модифицированный (инсектицидный) ген в папоротнике, который, как считается, обладает способностью обеспечивать устойчивость к насекомым. Этот ген при передаче на хлопчатник обеспечивает надежную защиту от насекомых. Считается, что этот «инсектицидный» ген передается или «дарится» бактериями папоротнику и считается очень специфическим компонентом линии папоротника, т.е. он успешно передается из поколения в поколение. Обнаружение потенциальной защиты от насекомых обязательно окажет сильное влияние на методы ведения сельского хозяйства.
Это исследование показывает, что «чистая наука» — расшифровка первой в истории геномной информации о папоротниках — является важным шагом в направлении обнаружения и понимания важнейших генов растений. Это также помогает лучше понять эволюционную историю папоротников, то есть, как их особенности развивались на протяжении поколений. Понимание растений крайне важно для изучения и осмысления того, как флора и фауна мирно сосуществуют на нашей планете , и таким исследованиям следует уделять должное внимание, а не считать их недостаточно значимыми. После секвенирования Azolla filiculoides и Salvinia cucullata, более 10 видов папоротников уже находятся в стадии дальнейших исследований.
Источник (ы)
1. Фэй-Вэй Л. и др. 2018. Геномы папоротников проясняют эволюцию наземных растений и симбиоз цианобактерий. Nature Plants . 4(7). https://doi.org/10.1038/s41477-018-0188-8
2. Fernbase https://www.fernbase.org/ . [Дата обращения: 18 июля 2018].
