Геном чая - биоинформационная матрица чайного листа удивила исследователей

В Китае в Институте ботаники провинции Юньнань завершился масштабный пятилетний, международный проект по прочтению (секвенирование) генома чайного дерева Camellia sinensis.

ДНК чая
Прочтение генома чайного дерева, дает глубокое и фундаментальное понимание о эволюции чая и показывает, уникальную биологическую роль растения на планете. Также информация чайного генома позволит ученым и селекционерам, в ближайшей перспективе создавать уникальные разновидности Camellia, с повышенным иммунитетом растений, и заранее заданными параметрами вкуса аромата.
За 120 млн. лет на Земле было десять ледниковых периодов и долгий, эволюционный путь к разуму, через генезис всевозможных форм жизни: от рептилоидного динозавра, до человека разумного. А за неприступными Гималаями, в горных долинах обильных солнцем, теплыми муссонами и в объятиях туманов, росла и процветала Camellia sinensis. В Поднебесной – этот удивительный природный эльдорадо вечной весны и млечных туманов, называют Юньнань (Обитель Южных Облаков). Провинция Юньнань считается колыбелью чайной культуры Китая и ареалом зарождения семейства Camellia. Как показал декодированная ДНК чая – юньнанские дикоросы, являются носителями древнейшей, биологической матрицы семейства Camellia. Именно с Юньнани, 50 млн лет назад, чай распространился по всему миру, и эволюционировал в 250 чайных видов семейства Camellia.
Phylogenetic Analysis of the LTR Retrotransposon Sequences in the Tea Tree Genome. Биоинформационная карта генома чайного дерева Camellia sinensis
Биоинформационная матрица чайного листа удивила исследователей. Например, чайный лист обладает необычайно объемным и сложным геномом, по сравнению с большинством секвенированных видов растений. По оценкам ученых, геном чая, такой же сложный и большой, как и геном человека и состоит из 3,2 млрд. пар нуклеотидов (3,3 млдр. – геном человека). Общие выводы, полученные при расшифровке генома чайного дерева:
  • 120 видов чая с уникальным вкусом, ароматом и полезными свойствами обусловлен большим количеством нуклеотидов в геноме Camellia sinensis.
  • провинция Юньнань – первичный источник обитания Camellia sinensis
  • геном чая состоит из 3,2 млрд пар нуклеотидов – это практически в три раза больше чем геном кофе
  • 714 уникальных генетических паттерна встречаются, только в геноме чайного дерева
  • у чая за 120 млн лет эволюции было две значимые дупликации(мутации) ДНК. Последняя мутация чая смогла распаковать паттерн генов, отвечающие за синтез кофеина, полифенола, теина и полисахаридов. Именно эти элементы, создали привычный вкус чая и увеличили климатическую адаптацию чайного дерева.
Основные принципы секвенирования генома были разработаны в конце 1970-х годов, однако, чтобы прочитать биологическую карту человека, понадобилось более 30 лет фундаментальных научных изучений и 3 млрд. долларов. Только в 2003 году, благодаря развитию компьютерных технологий, в рамках проекта Genomes Project, был расшифрован генома человека. Первый, обладатель полностью прочитанного геном стал Джеймс Уотсон, ученый, который совместно с Френсисом Криком, в 1953 году открыл двойную спираль ДНК.
Не смотря на стремительное развитие компьютерных технологий и искусственного интеллекта, секвенирование ДНК - непростая задача. Международная группа исследователей секвенировала ДНК чайного дерева на протяжении пяти лет, и как показали результаты проекта, - геном чая оказался самым, сложным и информативным, среди всех 250ти растений с прочитанным ДНК.
Джеймс Уотсон Джеймс Уотсон первый обладатель полностью прочитанного индивидуального генома
Основой исследования секвирования чайного генома стал лист асамского типа Юнкан. Лист данного типа в Юньнани является основным для производства популярного и доступного шу пуэра. Последовательность генома чайного дерева удивила - только 5% ДНК сберегают и передают наследственную информацию, записанную в виде алгоритма нуклеотидов. Но, сложность и мудрость генома чайного дерева, заключается в том, что из 3 млрд. пар нуклеотидов - 80% составляют ретро-транспозонные дубликатные гены, - роль которых копировать важную, генетическую информацию и многократно инсталлировать ее в биологической матрице.
Дублирование и сохранение важной информации объясняет размер чайного генома и его стрессоустойчивость, к болезням и вирусам на протяжении 120 млн. лет генезиса растения. Массовое дублирование значительных фрагментов генома способствовали появлению фитохимических соединений, которые определили вкус, пользу, повышенную адаптивность и стрессоустойчивость чайного дерева.
Главные фитохимические соединения чая: кофеин, флавоноиды, терпеноиды, теаин и катехин образовались 50 млн. лет назад и сыграли значительную роль в образовании богатого вкуса и повышенной адаптивности чая.
Evolutionary Differences of Three Important Metabolic Pathways Associated with Tea-Processing Suitability and Quality
A) Филогенетическая связь 25 видов Camellia. В) Эволюционное развитие теанина кофеина и флавоноидов в чайном геноме. С) Филогенетическая топология эволюции генов, участвующих в метаболизме и образовании флавоноидов, теанов и кофеина.
Прочитанный геном чайного дерева выявил уникальность растения. Геном чая – указывает на общие адаптивные, черты с кофеино содержащими растениями: какао, кофе, мате и лотосом. Данный взгляд подтверждают общие 2500 генов. Однако 120 млн. лет назад эволюционные пути разошлись и Camellia Sinensis сформировала 714 уникальных генетических фито соединений, встречающихся только в чае.
Evolution of Caffeine Генотопографическая карта эволюции кофеина
Также секвенирование генома Camellia sinensis подтверждает гипотезу о биологической миграции чайного дерева из Китая более 10 млн. лет назад. Именно в этот период активность генов становится различной и возникают мутационные виды. Анализ генов Camelia Sinensis, установил, что самое высокое содержание основных элементов, формирующих вкус и пользу чая (кофеин, полисахариды и теанин), обладают дикорастущие, чайные деревьев провинции Юньнань – изначальной, биологической колыбели чая.
Evolution of the Tea Tree Genome and Gene Families
А) Диаграмма демонстрирует общие и уникальные генетические паттерны среди чайного дерева и семи других видов растений. B) Расширение и сокращение семейств генов среди 10 видов растений. Круговая диаграмма демонстрирует синергию и эволюцию генов (MRCA13 476) растений от общего единого предка.
C) Сравнение устойчивых к болезням генов среди пяти видов растений. D) Значимые мутации генотипа, обнаруженные в чайном дереве.
Учитывая неблагоприятную экологическую обстановку и хрупкий статус популяции дикого чая, из-за интенсивного сбора листьев, сведения о геноме чайного дерева, представляет очень важную информацию, для будущего сохранения и процветания уникального растения. По сути дела, обладая структурой чайного генома, в недалеком будущем, ученые смогут воссоздать, вплоть до атома дикорастущую Camellia Sinensis и генетически проектировать чайные растения, которые будут идеально приспособлены к географии и климату региона, будь это Карпатские горы, или первая колония на Марсе.

Загружаем, подождите