Размер генома растений варьирует в сотни раз, и часто это связано не с числом генов, а с накоплением повторяющихся последовательностей. Мобильные элементы (транспозоны) могут вызывать взрывное расширение генома, но как это влияет на регуляцию генов и появление новых признаков, остаётся неясным, особенно у не модельных видов. Семейство Сапотовые представляет удобную систему: виды эволюционно близки, но сильно различаются по размеру генома и содержанию повторов. Изучение сапоты с её гигантским геномом позволяет увидеть последствия недавней транспозонной активности.
ДНК из листьев дерева, растущего в кампусе IISER Bhopal, секвенировали на платформах Oxford Nanopore (длинные чтения) и Illumina (короткие чтения), а также подготовили Hi-C библиотеку для определения пространственной организации хромосом. Сборку выполнили с помощью HiFiasm и YAHS, качество проверили по BUSCO, Merqury и LAI. Повторы аннотировали программой EDTA, а время встраивания ретротранспозонов оценили по дивергенции длинных концевых повторов. Метилирование цитозина в контекстах CpG, CHG и CHH определили из нанопоровых сигналов с помощью Dorado и Modkit. Для сравнения использовали геномы четырёх других видов сапотовых и винограда.
Геном сапоты собрали до уровня теломер и центромер (T2T) с размером 1,63 млрд пар оснований, распределённых по 13 хромосомам. Повторы заняли 78,61% генома, из них 53,09% — ретроэлементы, причём доминируют LTR-Gypsy. Время встраивания показало два пика активности: Copia около 0,36 млн лет назад и Gypsy около 0,09 млн лет назад. Гены с интронными вставками LTR экспрессировались немного ниже, чем контрольные. Метилирование ДНК у сапоты оказалось выше, чем у M. longifolia, во всех контекстах, особенно в симметричных CpG и CHG. Возрастная динамика метилирования Gypsy отличалась: у сапоты CHH-метилирование росло с возрастом элемента, что указывает на устойчивое подавление. Среди дуплицированных генов 5736 отнесли к транспонированным дупликациям; они обогащены путями метаболизма флавоноидов и фенилпропаноидов.
Работа показывает, что недавний взрыв ретротранспозонов может быстро удвоить размер генома, не меняя числа генов, но перестраивая эпигенетический ландшафт. Усиленное метилирование повторяющихся элементов стабилизирует геном, а транспонированные дупликации генов вносят вклад в метаболическое разнообразие. Это меняет представление о том, как растения генерируют фенотипические новшества: не только через точковые мутации, но и через мобилизацию повторяющихся элементов и эпигенетическую регуляцию.
С появлением новых хромосомных сборок сапотовых можно будет уточнить предковый кариотип и проследить эволюцию каждого хромосомного слияния. Исследование роли отдельных семейств транспозонов в регуляции соседних генов станет возможным с помощью методов пространственной транскриптомики и редактирования эпигенома. Сравнение с другими видами с экстремально большими геномами поможет выявить общие принципы адаптации к геномному ожирению.
Результаты важны для селекции тропических плодовых культур, поскольку связывают геномные перестройки с метаболическими путями, отвечающими за вкус и лекарственные свойства. Понимание эпигенетического контроля транспозонов может помочь в создании сортов с улучшенными признаками без трансгенеза.
Секвенировать дополнительные виды сапотовых с разными размерами генома, чтобы проверить универсальность модели взрывного расширения. Провести функциональные эксперименты по активации или подавлению конкретных семейств Gypsy и Copia для оценки их влияния на экспрессию соседних генов.
Остаётся открытым вопрос о том, почему одни виды накапливают транспозоны, а другие эффективно их удаляют. Механизмы, определяющие баланс между встраиванием и удалением мобильных элементов, а также их эпигенетическое наследование, являются ключевыми нерешёнными проблемами геномики растений.
Геном сапоты всего в 1,6 раза больше человеческого, но содержит лишь около 35 тысяч генов против 20 тысяч у человека: разница в размере почти целиком обусловлена повторами, а не числом генов.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.