Впервые исследователи изучили геном борщевика Сосновского — ядовитого инвазионного растения, сок которого вызывает ожоги кожи. Они обнаружили, что в его геноме почти в два раза больше генов, чем в геноме большинства других растений.
Результаты исследования открывают двери для практического применения борщевика в медицине и фармакологии благодаря уникальным биоактивным молекулам, которые можно использовать для создания новых лекарств.
Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) — инвазионное растение, распространившееся далеко за пределы естественного ареала на Северном Кавказе, представляющее серьезную угрозу экосистемам и здоровью человека. Ранее растение считалось перспективной кормовой культурой и широко культивировалось на северо-западе европейской части России.
Затем борщевик начал распространяться, быстро захватывая большие территории и сокращая биоразнообразие, вытесняя другие виды растений. Более того, его сок содержит природные токсины, которые делают кожу и слизистые оболочки человека очень чувствительными к ультрафиолетовому излучению и могут вызывать ожоги при физическом контакте.
Теперь исследователи из Сколтеха и Института проблем передачи информации РАН имени А.А. Харкевича определили полный геном борщевика Сосновского.
С помощью секвенатора ДНК команда ученых получила данные о геноме растения и пометила отдельные гены, которых неожиданно оказалось слишком много: 55 000 против 25 000–35 000 у большинства других растений. Предложив и проверив несколько возможных гипотез, исследователи обнаружили, что за это явление ответственны многочисленные дупликации (копии) генов.
«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 Логачева, 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 Логачева.
Исследование опубликовано в The Plant Journal.