Геномная дупликация ускоряет адаптацию растений
Растения адаптируются к местным погодным и почвенным условиям. Считалось, что такие адаптации развиваются тысячелетиями по мере накопления мутаций в генетическом коде. Однако биолог из Рочестерского университета обнаружил, что некоторые адаптации растений могут происходить почти мгновенно — не за счёт изменения последовательности ДНК, а просто путём дупликации существующего генетического материала.
Результаты исследования Джастина Рэмси опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Почти все животные имеют два набора хромосом, но многие растения являются полиплоидами, то есть имеют четыре или более наборов хромосом. Ботаники задавались вопросом, дают ли полиплоиды растениям новые черты для выживания в меняющейся среде, но эта идея не была строго проверена.
Рэмси провёл эксперимент на дикой тысячелистнике (Achillea borealis) с побережья Калифорнии. В северной части ареала растут тетраплоиды (4 набора хромосом), занимающие влажные луговые местообитания. В южной части, в песчаных дюнах, растут гексаплоиды (6 наборов хромосом).
Эксперимент 1: Учёный пересадил тетраплоиды с севера в южную среду. Местные гексаплоиды имели пятикратное преимущество в выживаемости над пересаженными тетраплоидами. Это доказало адаптацию южных растений к засушливым условиям, но причина — изменение числа хромосом или накопленные мутации в ДНК — была неясна.
Эксперимент 2: Рэмси взял растения-мутанты первого поколения — гексаплоиды, отобранные из тетраплоидной популяции, — и пересадил их на юг. Сравнение показало, что гексаплоидные мутанты имели преимущество в выживаемости на 70% перед своими тетраплоидными сородичами. Поскольку у растений был общий генетический фон, разница в выживаемости была напрямую связана с числом наборов хромосом, а не с последовательностями ДНК на них.
Возможные механизмы:
- Увеличение содержания ДНК может менять размер и форму клеток, регулирующих устьица на поверхности листа, что снижает скорость потери воды.
- Добавление наборов хромосом может маскировать эффекты вредных генов (аналогично некоторым генетическим заболеваниям у человека).
Вывод: Иногда механизм адаптации — это не разница в генах, а количество хромосом. Учёным следует уделять больше внимания числу хромосом не только как эволюционному механизму, но и как форме генетической изменчивости для сохранения редких и исчезающих растений.