Геном борщевика

Ученые впервые проанализировали последовательность генома борщевика Сосновского — ядовитого инвазивного растения, сок которого при попадании на кожу вызывает ожоги. Оказалось, что количество генов в геноме этого вида практически в два раза превышает среднее для большинства других растений значение. Работа авторов может найти практическое применение в медицине и фармакологии, поскольку уникальные биоактивные молекулы борщевика Сосновского могут использоваться в разработке новых лекарств. Об исследовании сообщает пресс-служба Российского научного фонда.

Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) — инвазивное растение, широко распространившееся за пределы своей естественной среды обитания на Северном Кавказе и представляющее серьезную угрозу для экосистем и человеческого здоровья. После Второй мировой войны растение считалось перспективной кормовой культурой и активно выращивалось на полях на северо-западе европейской части России, откуда и начало распространяться. Борщевик быстро растет и захватывает большие площади, подавляя местную флору. Это может приводить к снижению биоразнообразия и вытеснению других видов. Более того, сок растения содержит природные токсины, повышающие чувствительность организма (чаще кожи и слизистых оболочек) к воздействию ультрафиолета. Именно из-за них физический контакт с борщевиком может вызывать ожоги и раздражение на коже человека.

Ученые из Сколковского института науки и технологии и Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН исследовали полный геном борщевика Сосновского, собрав его до уровня хромосом. С помощью секвенатора — прибора для прочтения ДНК — авторы получили данные о геноме борщевика, после чего разметили в полученной последовательности отдельные гены. Их оказалось неожиданно много. Тогда как у большинства растений насчитывается от 25 до 35 тысяч генов, в геноме борщевика их обнаружено более 55 тысяч. Ученые выдвинули несколько гипотез, которые объясняли бы это явление, проверили их и выяснили, что причиной такого большого числа генов стали их многочисленные удвоения (дупликации) — это означает, что у многих генов есть несколько дополнительных копий.

«Это достаточно необычное явление. Для растений гораздо более характерны полногеномные дупликации, когда число копий кратно увеличивается у всех участков генома, а не у отдельных сегментов. Многие из генных семейств, в которых произошло резкое увеличение числа генов у борщевика, связаны с синтезом вторичных метаболитов, в том числе линейных фуранокумаринов (псоралена и его производных). Это именно те вещества, которые придают борщевику его опасные свойства», — рассказывает участник проекта Мария Логачёва, сотрудник Сколковского института науки и технологии.

Авторы также детально проанализировали гены, которые могут участвовать в синтезе токсинов, вызывающих ожоги на свету. Ученые экспериментально выяснили функцию одного из генов: преобразование мармезина в псорален. 

Результаты исследования будут полезны в медицине и фармакологии. Знание геномных особенностей борщевика Сосновского позволит определить и изучить уникальные биоактивные молекулы, которые могут использоваться в создании новых лекарственных препаратов и терапевтических подходов для лечения кожных заболеваний. Также они могут помочь в разработке методов биологического контроля и проведения мониторинга этого опасного инвазивного вида.

«Мы планируем развивать работу с геномом борщевика. В том числе будем исследовать генетическое разнообразие этого вида в исходном и "‎захваченном" ареалах. Мы собираем и анализируем образцы со всей России — от Калининграда до Дальнего Востока. Это позволит понять закономерности и стратегии распространения борщевика, а также выяснить, как соотносятся между собой борщевик Сосновского и близкие виды, в частности, активно распространяющийся в Западной Европе борщевик Мантегацци», — подводит итог Мария Логачёва.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в PlantJournal.