Два генома лучше одного для эволюционной адаптации, показало исследование
Учёные выяснили, как некоторые дикие растения с естественно удвоенными «супергеномами» могут сохранять преимущество в адаптации к климатической изменчивости и враждебным условиям.
Это первое в мире исследование, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, может иметь важное значение для устойчивости растений и сельскохозяйственных культур перед лицом изменения климата.
Исследовательская группа использовала близкого родственника британского растения Arabidopsis, или резуховидки Таля, который может иметь как одинарный, так и двойной геном. Результаты предоставляют наиболее убедительные на сегодняшний день доказательства повсеместного эволюционного влияния удвоенного генома на всём ареале вида.
Это также первое исследование, которое всесторонне проверило вековую эволюционную теорию с использованием новых технологий для секвенирования сотен геномов. Работу возглавил доцент эволюционной геномики Леви Янт из Школы наук о жизни и Future Food Beacon Ноттингемского университета.
Удвоение всего генома (геномное удвоение или полиплоидия) происходит во всех царствах живого и наиболее распространено у растений. Оно может происходить во время типа клеточного деления, называемого «мейозом», и очень часто встречается у сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, яблоки, бананы, овёс, клубнику, сахар и капустные, такие как цветная капуста. Это также может происходить при самых агрессивных формах рака и связано с прогрессированием заболевания, поэтому важно понимать, какие факторы стабилизируют удвоение генома и как эволюционируют популяции с удвоенным геномом.
Доцент Леви Янт сказал: «Понимание того, как это странное состояние "слишком большого количества ДНК", которое явно вызывает первоначальные проблемы, может быть преодолено — и даже превращено в эволюционный плюс — это большой научный вопрос. Почти всегда плохо иметь слишком много ДНК, но мы думаем, что иногда это создаёт "многообещающего монстра", который может процветать».
«Наша предыдущая работа за последние пять лет заключалась в том, чтобы выяснить, как эти популяции с удвоенным геномом стабилизируются в первую очередь. Первоначальная проблема в том, что когда удвоение генома происходит впервые, внезапно оказывается слишком много хромосом для клеточного аппарата. Эти хромосомы буквально запутываются и разрываются при разделении во время клеточного деления. Это может быть настоящий хаос! Это также может стать проблемой для некоторых культур, особенно при повышенных температурах, и глобальное потепление усугубляет эту проблему».
«Несколько лет назад мы выяснили, как естественные полногеномные дупликации успешно эволюционируют, чтобы стать стабильными. Затем мы хотели продолжить это более масштабным исследованием, изучающим адаптации на всём ареале вида, потому что мы знаем, что некоторые популяции с удвоенным геномом успешно вторглись в очень враждебные среды, такие как токсичные шахты, железные дороги и пляжи, которые в целом недружелюбны для растений. Фактически, один из видов, с которым мы работаем, имеет полные шесть копий генома и является самым быстрораспространяющимся растением в Великобритании, растущим именно на засолённых обочинах дорог с 1970-х годов!»
«Эти выносливые маленькие растения могут стать маленькими генетическими машинами адаптации, что позволяет им вторгаться во враждебные среды и даже процветать там, где другие не могут. Фактически, большая часть самых инвазивных видов растений в мире имеют удвоенный геном, поэтому мы предположили, что в результате удвоения генома происходят адаптации, на которых мы можем сосредоточиться и найти ответственные за них гены. Чтобы проверить эту гипотезу в данном исследовании, мы повторно секвенировали около 300 геномов этого маленького растения Arabidopsis arenosa, собранных из 39 географических районов по всей Европе, и искали маленькие "следы" отбора — конкретный ген, который оказался полезным для адаптации к определённой местности».
«Помимо конкретных генов, мы обнаружили нечто ещё более значимое: у вариантов с удвоенным геномом фундаментальные процессы, управляющие тем, как действует дарвиновский отбор, кажутся несколько иными по сравнению с видами с одинарным геномом. То есть мы нашли более широкие причины, почему популяции с удвоенным геномом могут лучше адаптироваться, выходящие за рамки простого факта, что у них больше ДНК или могут присутствовать новые варианты генов».
Они обнаружили, что у версий вида с удвоенным геномом связи между соседними генами на одной и той же цепи ДНК менее жёсткие. Было более распространено, что два гена, расположенные рядом друг с другом на определённом участке ДНК, имели разные комбинации мутаций, чем у версий вида с одинарным геномом. Возможно, этот процесс «разрыва сцепления» между соседними генами более эффективен у видов с удвоенным геномом, потому что присутствует большее разнообразие различных комбинаций, и ДНК рекомбинирует с дополнительными партнёрами, генерируя новые комбинации генов. Это означает, что хорошие версии одного гена могут «сбежать» от плохих версий другого гена в своём «ДНК-соседстве», позволяя дарвиновскому отбору происходить более эффективно, удаляя из популяции плохие версии и отбирая хорошие.
Недавние результаты их уникальной и масштабной оценки на уровне популяции добавляют веса теории о том, что эти особые растения с «слишком большим количеством ДНК» имеют широкий арсенал для адаптации к изменению климата и могут эволюционировать, становясь ещё более выносливыми в будущем. Однако исследователи говорят, что ещё много работы предстоит сделать, чтобы понять, что движет успешным становлением и распространением вновь образованных линий с двойным геномом.