Гимпи-гимпи, получившее название жгущего дерева, растет в джунглях на восто...
Технологией секвенирования (расшифровки) материала наследственности – нуклеотидных последовательностей ДНК занимаются биоинформатики. Сначала из исследуемого образца (коры, листьев или хвои дерева) выделяют ДНК. Потом ее случайным образом режут на небольшие фрагменты, каждый из них следует «прочесть».
Длины геномов у деревьев намного больше, чем у людей. У человека и животных геном в ходе эволюции «очищался» от ненужной ДНК и лишней информации. У деревьев этот процесс существенно замедлился. Например, геном сосны или ели, по сравнению с человеческим, больше в 6-9 раз, а лиственницы – в 4 раза.
«Букв»-нуклеотидов у генома лиственницы примерно 12 млрд. Для сравнения: букв и символов в романе Льва Толстого «Война и мир» около 3 млн. Выходит, что геном лиственницы – это 4 тысячи книг «Война и мир».
Бореальные (северные) леса, которые называют еще тайгой, состоят в основном их хвойных деревьев. Тайга занимает более 12 млн. кв. км, что составляет третью часть всех лесов планеты. Около 75% этих лесов находится на территории Российской Федерации. Поэтому закономерно, что расшифровка геномов хвойных видов является особой задачей для страны.
Составление полных «текстов» геномов при помощи небольших «прочтений» фрагментов ДНК – дело непростое. Прочтение и сборка генома одного хвойного дерева требует не менее шести месяцев. При этом используются высокопроизводительные секвенаторы, а также очень мощные компьютеры и сложные программы. Один секвенатор способен обработать сотни терабайт информации, но стоит он миллион условных единиц.
Секвенирование гигантских геномов в России осуществляется лишь в одном месте – лаборатории лесной геномики научно-образовательного центра Сибирского федерального университета. Ученые других стран также занимаются изучением разных видов деревьев. Например, в университете Нью-Гемпшира в Англии расшифровывают геном дерева ши, а в Китае – агарового дерева.
В европейских странах законодательно закреплено, что у импортируемой древесины некоторых особо ценных пород должен быть генетический сертификат. Этот документ предназначен защищать от вырубки охраняемые и исчезающие виды деревьев. В будущем таким сертификатом должны обзавестись все леса. После его введения будет проблематично срубить и продать дерево. Анализ ДНК образца покажет, откуда привезена древесина, какую ценность она имеет и есть ли разрешение на вырубку.
Секвенирование позволяет ученым увидеть, какие гены помогают деревьям лучше приспосабливаться к неблагоприятным условиям. Это в дальнейшем можно использовать в селекции, выращивая деревья, способные противостоять вредителям, засухам, а также приживаться в нетипичных почвах.
Например, на данный момент мировой проблемой является вирус Chalara fraxinea, поражающий ясени. В Северной Америке этот вирус за двадцать лет нового века убил десятки миллионов деревьев. В 2020 году он обошелся экономике США в 10 млрд. долларов. Поэтому ученые пытаются найти последовательность нуклеотидов в ДНК, обладающих устойчивостью к вирусу.
При помощи лесной геномики можно узнать, почему некоторые деревья живут очень долго. Например, возраст секвой, растущих на северном побережье Калифорнии, составляет 1-2 тысячи лет, а остистых сосен, растущих в горах Сьера-Невады, – 3-5 тысячи лет. Существуют виды кипариса и можжевельника, которым по 2,5 тысячи лет. Гены подобных экземпляров особенно ценны. Вполне возможно, что данные их генетической трансформации, селекции и геномного редактирования смогут помочь жить дольше другим деревьям и выживать в разных условиях.
В высоту секвойи могут достигать 100 м, а толщина коры у их основания составляет 90 см. 90% этих деревьев описаны и зарегистрированы. Вырубка секвой строжайше запрещена.
Человек сегодня высаживает много лесов, но они сильно отличаются от природных, а особенно от старовозрастных, в которых сформированы уникальные экосистемы. Некоторые виды растений и животных способны существовать только в такой среде обитания.
Ученые Сибирского федерального университета взялись за очень сложную задачу – секвенирование сосны, кедра и лиственницы. Сейчас первоначальная расшифровка их ДНК обходится в сотни тысяч долларов, поэтому ученым без государственных грантов не справиться. Правда, когда уже есть готовый образец генома, дальнейшее секвенирование обходится намного дешевле.
