Международная группа из 108 исследователей начала расшифровывать геномы сотни видов диатомовых водорослей и уже обнаружила неожиданно большой генетический разброс между видами. Предварительное сравнение 22 геномов показало, что общими для всех изученных диатомей оказались менее 3% семейств генов, хотя микроскопические водоросли принадлежат к одной крупной эволюционной группе. Результаты проекта 100 Diatom Genomes Project опубликованы в PLOS Biology.
Различия оказались заметны даже на уровне размера генома. Первые собранные последовательности содержат от 75 до 1033 миллионов пар оснований, а число генов у разных видов различается более чем втрое. Для предварительного анализа ученые объединили девять новых геномов проекта с 13 ранее опубликованными геномами, охватив в общей сложности 17 родов диатомей. Только около 32% отдельных генов вошли в так называемое «ядро» или близкую к нему группу, встречающуюся почти у всех исследованных видов.
Авторы пока называют результаты предварительными. Генетическое разнообразие, по их версии, сформировалось за сотни миллионов лет за счет изменений существующих генов, появления новых последовательностей и горизонтального переноса генов между организмами. Уникальные и необязательные для всех видов гены особенно часто связаны с клеточными сигналами, делением клеток, рекомбинацией ДНК, организацией ядра и структурами, участвующими в размножении. Исследователи предполагают, что такие различия могли сыграть роль в возникновении огромного числа видов диатомей.
По мере добавления новых геномов ученые продолжают находить ранее неизвестные семейства генов. Анализ показывает, что пангеном диатомей, то есть совокупность всех генов группы, пока остается «открытым». Математическая модель прогнозирует, что к завершению проекта число обнаруженных семейств генов может примерно удвоиться и приблизиться к 40 тысячам. Прогноз основан на имеющейся выборке и может измениться после расшифровки остальных геномов.
Команда уже отобрала 104 вида, которые прошли проверку пригодности для исследования, а аннотированные сборки геномов для 20 видов доступны ученым. Для секвенирования применяют длинные чтения PacBio и короткие чтения Illumina, одновременно исследователи анализируют активность генов при разных температурах и режимах освещения. Генетические данные дополняют микроскопией и автоматизированными экспериментами, измеряя скорость роста клеток, размеры, содержание хлорофилла и эффективность фотосинтеза при разных температурах, интенсивности света и соотношениях углерода, азота и фосфора.
Такой подход нужен не только для составления каталога геномов. Ученые хотят связать конкретные варианты генов с тем, как диатомеи поглощают углерод и питательные вещества, используют свет, делятся и приспосабливаются к изменению среды. Ранние эксперименты уже показывают широкий разброс физиологических реакций между видами, однако авторы пока не считают причинную связь с конкретными генами окончательно установленной. Для проверки потребуется сопоставить геномы с результатами дальнейших экспериментов.
Диатомовые водоросли встречаются практически во всех морских и пресноводных экосистемах, а число их видов оценивают как минимум в 100 тысяч. Несмотря на микроскопические размеры, группа отвечает примерно за пятую часть ежегодной глобальной фиксации углерода и участвует в биологическом углеродном насосе, который переносит органический углерод из поверхностных слоев океана в глубину. До запуска 100 Diatom Genomes Project подробно изученными оставались геномы лишь примерно десяти видов, поэтому большая часть генетического разнообразия диатомей была практически неизвестна.
Авторы рассчитывают , что расширенная база геномов поможет точнее моделировать реакцию морских и пресноводных экосистем на изменение климата. В перспективе найденные гены и белки могут пригодиться для биотехнологий, включая получение биотоплива, захват углерода, создание биологически активных соединений, сенсоров и систем доставки лекарств. Пока речь идет о потенциальных направлениях применения, а не о готовых технологиях, поскольку опубликованная работа прежде всего описывает инфраструктуру проекта и его первые сравнительные результаты.