Немного об особенностях генетики и геномики чайных растений

В начале июня в Molecular Plant была опубликована статья (http://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30103-X), представляющая собой обзор многолетней работы китайских, южнокорейских и американских учёных из двенадцати научных учреждений (среди которых ведущая роль принадлежит Центру генетики и геномики растений Куньминского института растениеводства) по секвенированию и сравнительному анализу генома чайных растений.

Генетический банк диких видов, Куньмин.

Публикация чрезвычайно интересная; найти ей применение в практической работе с качественным чаем едва ли удастся, зато она напоминает о том, что чай – это не вещь в себе, а продукт из растительного сырья, и растения, являющиеся его источником, прошли долгий и сложный эволюционный путь; в ней говорится о ходе и механизмах этой эволюции; ну, и просто окунуться в мир современных научных методов очень увлекательно. Так что я рекомендую хотя бы бегло ознакомиться с первоисточником, а здесь попробую в короткой и по возможности живой форме передать его содержание.

Если кто-то подзабыл школьную программу, то секвенирование ДНК – это, говоря совсем упрощённо, расшифровка генетического кода, то есть последовательности нуклеотидов, программирующей строение и функционирование организма. Люди пока не научились аккуратно растягивать хромосомы в линейные молекулы ДНК и считывать с них информацию в один приём, нуклеотид за нуклеотидом. Вместо этого формируют и «прочитывают» множество фрагментов разной длины, а затем, сличая их друг с другом, восстанавливают код исходной ДНК. Молекулярные основы этого процесса выходят далеко за рамки данной статьи, а такие термины, как контиги и скаффолды, звучат слишком зловеще, но сам принцип довольно прост. Представьте себе, что вам нужно прочесть длинный текст на листе столь огромном, что вам и за всю жизнь не добраться от одного его края до другого. К счастью, автоматические приборы могут сделать практически бесконечное число фотографий этого текста, на каждой из которых, правда, будет лишь несколько строчек, но компьютерная программа, находя пересечения между сфотографированными кусочками, «сошьёт» их и выдаст вам полный текст в удобной форме. Даже нужные вам слова найдёт и подчеркнёт. Примерно так работает секвенирование.

Первые технологии секвенирования ДНК были разработаны ещё в конце 1970-х и были очень медленными. На первую расшифровку генома человека ушло немало лет. А сейчас это можно сделать за считанные дни. Новым высокоэффективным способам секвенирования человечество и обязано бумом генетических исследований в XXI веке.

Вернёмся теперь к чаю. Основным объектом исследования был культивар Юнькан №10, относящийся к ассамскому варианту камелии китайской, из уезда Мэнхай. Это популярный юньнаньский культивар, активно использующийся для производства плантационного пуэра. Биологический материал сразу после сбора весной 2009 года был заморожен в жидком азоте и вплоть до экстракции ДНК хранился при минус восьмидесяти по Цельсию. Отдельно изучались нежные верхушки побегов, молодые листья, стебли, цветочные почки, цветы, корни, семена и юные ростки. Это может многих удивить – ведь генетический материал во всех частях организма должен быть идентичен. Но, во-первых, не всегда абсолютно идентичен, а главное – активность одних и тех же генов, величина их экспрессии, то есть воплощения содержащейся в них информации в РНК или белок, в разных клетках, тканях и органов может значительно различаться.

Оказалось, что геном чайного растения состоит из более чем 3 миллиардов пар нуклеотидов – почти столько же, сколько и у человека разумного, и в несколько раз больше, чем у томата, картофеля и кофе. Обнаружен 36951 ген, кодирующий белок, и примерно 4500 генов, кодирующих рибосомальные, транспортные и другие не-матричные виды РНК, что в сумме составляет… лишь около пяти процентов генома чайного дерева.

В таком раскладе нет чего-то из ряда вон выходящего. У всех эукариотов на нашей планете лишь часть, иногда совсем небольшая, генетического материала, грубо говоря, принадлежит им самим. Остальную информационную ёмкость ДНК занимают другие структуры, иногда помогающие, иногда вредящие, но по большей части просто живущие своей собственной жизнью, нечто вроде компьютерных «червей» и «троянов», за миллионы лет эволюции прочно вросших в нашу операционную систему – да-да, и в нашу тоже, не меньше половины ДНК человека – себе на уме.

Это невидимое население ядер человеческих, чайных и всех прочих имеющих ядра клеток довольно разнообразно и не до конца изучено. Но самое видное место среди него занимают транспозоны – участки ДНК, способные перемещаться внутри генома и размножаться. При этом ДНК-транспозоны используют метод «вырезать и вставить»: они кодируют белок, который вырезает их из одного места и вставляет в другое. А ретротранспозоны – метод «копировать и вставить»: с них считывается РНК, по которой затем воссоздаётся исходный ретротранспозон в новом месте генома.

Роль мобильных генетических элементов неоднозначна. С одной стороны, их самодеятельность несёт в себе потенциальную угрозу – того гляди, сломают что-нибудь. И это не домыслы – доказано, что целый ряд болезней связан с повреждением ими определённых участков ДНК. С другой стороны, естественный отбор от них всё же не избавился, и их значение для эволюции и онтогенеза мы лишь начинаем открывать. Например, благодаря баловству одного отдельно взятого транспозона наряду с круглыми появились и овальные помидоры — любители солений должны быть ему признательны. Благодаря транспозонам последовательность ДНК нейронов, клеток нервной системы, несколько отличается от последовательности ДНК других клеток; мало того, она ещё и в разных участках мозга различается; и есть мнение, что это вносит вклад в синаптическую пластичность, а значит, в обучение и память. У растений активность транспозонов возрастает при неблагоприятных, стрессовых условиях, и в этом можно видеть как следствие ослабления эпигенетического контроля над ними, так и форму адаптации.

А ещё, изучая структуру транспозонов, можно установить эволюционные пути. Так, если у разных видов обнаруживаются идентичные транспозоны, можно сделать вывод о наличии общего предка.

В геноме чайного дерева транспозоны составляют более 80%, причём бОльшая их часть относится к одному семейству, и сравнительный анализ показывает, что доля этого семейства в геноме неуклонно расширяется на протяжении последних 50 миллионов лет. Это одна из причин того, что у чая такой большой геном. Вторая причина состоит в удвоении всего генома, которое произошло в истории камелии китайской дважды: первый раз – более 120 миллионов лет назад, до расхождения чайного дерева, винограда и киви, а второй раз – около 80 миллионов лет назад.

В более ранних исследованиях было подтверждено, что интенсивно развиваются те семейства генов, которые имеют адаптационную ценность для данного вида. И авторы этой работы, сравнив геном чайного дерева с геномами киви, картофеля, томатов, кофе, резуховидки Таля, какао, тополя, винограда и лотоса, обнаружили 2170 генов, уникальных для чайного дерева, потенциально связанных с адаптацией к окружающей среде, и значительная их часть имеет отношение к биосинтезу и метаболизму флавоноидов, в особенности антоцианидина и флавонола. Кроме новых семейств генов, на направление эволюции также указывает сокращение или расширение семейств генов, доставшихся от предков. Среди 13467 семейств генов, общих для десяти вышеуказанных растений, авторы работы выделили 1857 семейства, которые получили у чайных деревьев наибольшее развитие – и они также связаны с синтезом и модификацией флавоноидов. А ведь флавоноидами в значительной степени определяется и вкусоароматическое богатство чая, и его полезные свойства – то есть, в конечном счёте, ценность чая для человека и уровень его качества; само же чайное дерево флавоноиды, являясь антиоксидантами, защищают от широкого ряда неблагоприятных факторов, а в комплексе с полифенолоксидазой – и от вредителей.

То есть, за невообразимую бездну времени до появления человека предки чайных деревьев, винограда, киви и т.д. уже умели синтезировать флавоноиды — по-видимому, относительно небольшое число соединений и в умеренном количестве. Но почти все их потомки не стали развивать это направление обмена веществ – то ли выбрали другие способы защиты (и кто знает, сколько их вымерло), то ли оказались в более благоприятных условиях. Нашёлся лишь один, который сделал ставку именно на это. И тысячелетие за тысячелетием он учился делать это всё мощнее и мощнее, всё изощрённее и изощрённее, изобретая новые молекулы, наращивая на них гидроксигруппы, добавляя к катехинам остатки галловой кислоты, и так далее. И это и сделало его чаем. И он выжил. Распространился на значительной части Азии. Дождался появления человека. И теперь растёт на каждом континенте, за единственным исключением Антарктиды.

Так что, когда вам кажется, что ваши труды, такие длительные, такие упорные, не приносят результата, подумайте о дереве, которое сто миллионов лет назад начало заниматься, на взгляд всей его родни, ерундой, чтобы наконец в одну прекрасную эпоху какая-то обезьяна слезла с ветки, облысела, оделась, попробовала листья этого дерева – и для дерева началась совсем другая жизнь. Да и для обезьяны тоже.

Впрочем, менее уникальные средства защиты у чая тоже есть. Так, генов, кодирующих LRR-белки, отвечающие за устойчивость к болезням, у чайного дерева больше, чем у тех же киви, какао, картофеля и томата.

Следующая часть работы посвящена различиям в синтезе кофеина, «чайной аминокислоты» теанина и катехинов внутри рода камелия. Исследовались 15 представителей секции (секция – это таксон между подродом и видом) Thea, то есть Чай — C. jingyunshanica, C. sinensis cv. Longjing 43 (чай из которого, полагаю, все вы пили), C. makuanica, C. atrothea, C. pubescens, C. tachangensis, C. parvisepala, C. kwangsiensis, C. angustifolia, C. ptilophylla, C. leptophylla, C. assamica cv. Yunkang 10, C. gymnogyna, C. crassicolumna, C. tetracocca – и 10 представителей других секций: Sect. Stereocarpus (C. yunnanensis), Sect. Archecamellia (C. granthamiana), Sect. Oleifera (C. hiemalis), Sect. Furfuracea (C. integerrima), Sect. Theopsis (C. handelii), Sect. Eriandria (C. cordifolia), Sect. Tuberculata (C. tuberculata), Sect. Pseudocamellia (C. szechuanensis), Sect. Luteoflora (C. luteoflora) и Sect. Longipedicellata (C. longipetiolata). Замечу, что названия видов даны по классификации Zhang 1981. Более распространенная сейчас в англоязычных научных работах классификация Min and Bartholomew 2007 существенно отличается: в ней C. assamica рассматривается как varietas C. sinensis; C. makuanica и C. atrothea включены в C. crassicolumna; C. pubescens — в С. ptilophylla; С. parvisepala и С. angustifolia — в Camellia sinensis var. pubilimba; C. tetracocca — в C. tachangensis.

Установлено, что и чайные, и нечайные виды обладают всеми главными генами, кодирующими ферменты, участвующие в биосинтезе катехинов, теанина и кофеина. Это говорит о том, что три характерных метаболических пути уже присутствовали у общего предка камелий, по крайней мере, уже шесть миллионов лет назад.

Однако активность этих генов различна. И в результате содержание кофеина и катехинов в камелиях чайной секции в сумме на порядок выше, чем в их нечайной родне. А вот значимых различий в содержании теанина между разными камелиями нет.

Выраженность экспрессии этих генов неодинакова в разных частях растения. Большинство генов, вовлеченных в метаболизм флавоноидов, высокоактивны в молодых побегах и листьях; гены, ответственные за теанин – в ростках; гены, связанные с синтезом кофеина – в семенах.

И последний раздел работы касается эволюции синтеза кофеина. То есть, сам-то механизм синтеза никак не менялся, и все кофеинсодержащие растения синтезируют его одинаково (см. ниже на пятом фото) – из нуклеозида ксантозина, к азотистому основанию которого поочередно добавляются три метильных группы, а рибоза отщепляется. И получается 1,3,7-триметилксантин, всем вам известный под несколькими сценическими именами: кофеин, теин, матеин, гуаранин (всегда было интересно, почему нет какаовина?)… Метильную группу каждый раз жертвует S-аденозилметионин, для этого он в организме и нужен, а вот ферменты — N-метилтрансферазы (NMT) — всякий раз разные, специфические для каждой конкретной реакции. Генов NMT у чайного дерева 13 – это меньше, чем у кофе (23) и какао (21), и лишь небольшая их часть родственна генам какао, а на соответствующие гены кофе они вовсе не похожи. Авторы делают вывод, что общий предок у чая и какао был, но бОльшая часть NMT эволюционировала в них независимо, после расхождения.

В заключение авторы выражают надежду, что изучение генома камелий откроет новые возможности в выведении высококачественных сортов чайных растений, а также послужит сохранению их дикорастущих разновидностей, которые могут оказаться носителями ценных генов.


Сельскохозяйтвенный Университет Южного Китая, Гуанчжоу.


Куньминский ботанический сад


Куньминский ботанический сад


Биосинтез кофеина


Оранжереи Куньминского института растениеводства

30 июня 2017 г.
Источник: Самая домашняя чайная «Сова и Панда» https://vk.com/club47905050
Автор: Антон Дмитращук https://vk.com/id183549038


Понравилась статья? Поделись с друзьями!


Обсуждение закрыто.