Вельвичия — растение, распространенное в африканской каменистой пустыне Намиб, вдоль побережья Атлантического океана. Для жизни вельвичии достаточно той влаги, которую она получает из туманов. Вельвичия растет очень медленно и, как оказалось, долго — радиоуглеродное датирование показывает, что возраст некоторых экземпляров может достигать 2-3 тыс. лет. Местные жители, впрочем, обратили внимание на удивительно долгую жизнь вельвичии еще до появления современных методов датировки — на языке африкаанс она называется tweeblaarkanniedood — «два листа, которые не могут умереть».
«Это растение может жить тысячи лет, и оно никогда не перестает расти», — заявил специалист по генетике растений Эндрю Лейч из Лондонского университета королевы Марии.
Находки окаменелостей позволяют предположить, что предки вельвичии существовали на территории Гондваны, древнего суперконтинента, десятки млн лет назад.
Вельвичия довольно невзрачна, но не похожа ни на одно другое растение. Она выпускает два длинных листа, которые под сухими пустынными ветрами подсыхают и скручиваются, придавая вельвичии сходство с осьминогом. Но с момента открытия вельвичия покорила биологов, включая Чарльза Дарвина и австрийского ботаника Фридриха Вельвича, в честь которого и была названа. По воспоминаниям современников, когда в 1859 году Вельвич впервые ее увидел, «он только и смог, что опуститься на колени на горящую землю и смотреть на растение, страшась, что это лишь иллюзия, которую разрушит прикосновение».
Причина продолжительной жизни вельвичии занимала ученых много лет, и вот специалистам Китайской академии наук в сотрудничестве с британскими коллегами удалось приблизиться к разгадке. Свои выводы они изложили в статье в журнале Nature Communications.
Ученые расшифровали геном растения на уровне хромосом и восстановили его эволюционные изменения. Оказалось, примерно 86 млн лет назад, во время засухи в регионе, после ошибки в делении клеток геном вельвичии удвоился — возможно, из-за воздействия ультрафиолета или иных стрессовых факторов. Ботаник Тао Ван, один из авторов, отмечает, что экстремальный стресс для растений часто связан с такими событиями, как дупликация генома.
Кроме того, добавляет Лейч, «задвоенные» гены освобождаются от своих первоначальных функций, обретая новые.
Однако, по словам Вана, за увеличение количества генетического материала приходится платить.
«Для жизни необходима репликация ДНК, поэтому при большом геноме поддержание жизни требует больших энергетических затрат, особенно в таких суровых условиях», — отмечает он.
Вельвичии не повезло, значительная часть ее генома оказалась генетическим мусором — самовоспроизводящимися последовательностями ДНК, называемыми ретротранспозонами.
«Теперь этот мусор нужно реплицировать, восстанавливать», — поясняет Лейч.
Исследователи обнаружили всплеск активности ретротранспозонов 1-2 млн лет назад, скорее всего, из-за стресса, вызванного перепадами температуры. Чтобы противостоять этому, геном вельвичии прошел через масштабные эпигенетические изменения, которые заглушили нежелательные последовательности ДНК с помощью метилирования. Оно происходит, когда метильные группы, содержащие один атом углерода и три атома водорода, связываются с определенными молекулами ДНК. Хотя метилирование не изменяет последовательности ДНК, оно может влиять на экспрессию определенных генов.
Этот процесс, в совокупности с изменениями окружающей среды и другими факторами, резко сократил размер генома и, соответственно, энергетические затраты на поддержание жизнедеятельности.
Нашлись у вельвичии и другие секреты.
В отличие от большинства других растений, ее первые побеги отмирают, оставляя после себя базальную меристему — особый вид ткани, способный активно снабжать растение новыми клетками.
Исследователи отмечают, что повышенная активность определенных генов или большое количество их копий способны при таком раскладе позволить растению продолжать расти даже в малопригодных для жизни климатических условиях. С учетом меняющегося климата, ученые рассчитывают, что эти данные позволят вывести более выносливые и менее требовательные сельскохозяйственные культуры. Вельвичия способна выживать в засушливой и бедной питательными веществами среде, и, если такая способность будет и у других растений, это значительно облегчит ситуацию с сельским хозяйством в будущем.