Изменчивая среда в родном ареале генетически готовит инвазивные виды к захвату новых территорий

Учёные из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили, что постоянно меняющаяся среда может помочь некоторым видам захватывать новые территории, поддерживая генетическое разнообразие, необходимое для закрепления на новом месте.

После прибытия адаптация инвазивных видов может идти удивительно схожими путями. Эволюция может действовать на одни и те же участки генома даже во время независимых инвазий в географически удалённых популяциях на противоположных сторонах континента.

Результаты могут помочь предсказывать будущие вторжения, что является важнейшей задачей, поскольку инвазивные виды наносят ущерб в сотни миллиардов долларов ежегодно. По мере того как изменение климата вынуждает виды перемещаться или вымирать, способность предсказывать адаптивность поможет понять, какие организмы выживут.

В статье в Nature Ecology & Evolution от 22 июня профессор интегративной биологии Кэрол Юнми Ли и постдок Дэвид Штерн описывают, как мелкий рачок из солёных вод, копепода Eurytemora affinis, смог вторгнуться в Великие озёра и другие пресноводные водоёмы.

В эстуариях — родном ареале Eurytemora — колебания солёности воды поддерживают высокий уровень генетического разнообразия в популяции копепод, позволяя им выживать в меняющихся условиях. Когда захватчики достигают пресной воды, это генетическое разнообразие помогает им пройти естественный отбор, процветать и захватывать территорию.

"Колеблющиеся условия в родном ареале, вероятно, являются основной эволюционной силой, позволяющей видам вторгаться в новую среду обитания. Это принцип не только для этой одной копеподы, но он, вероятно, также объясняет, почему значительная часть инвазивных видов в Великих озёрах происходит из солоноватых вод с изменчивыми условиями", — говорит Ли.

Ли и Штерн изучали популяции Eurytemora из двух удалённых локаций: эстуария реки Святого Лаврентия в Квебеке и Мексиканского залива у побережья Техаса и Луизианы. Каждая из них вторглась в пресноводные озёра — Великие озёра или внутренние озёра выше по течению от залива. Исследователи секвенировали геномы сотен копепод, чтобы понять, как они совершили переход из солёной воды в пресную.

"Мы искали те генетические изменения, которые были одинаковыми в этих разных независимых событиях вторжения", — говорит Штерн.

Там, где эти две разные популяции в разных местах претерпели одинаковые генетические изменения, это было свидетельством так называемой параллельной эволюции. У копепод две популяции испытали в 29 раз больше параллельной эволюции, чем можно было бы ожидать случайно, по крайней мере, в участках генома, связанных с толерантностью к солёности. Эта тенденция сохранялась и в более широких регионах генома.

"Это было удивительно, потому что популяции из Мексиканского залива и Атлантики очень разные. Но у них есть одни и те же мутации в их родных ареалах, и затем одни и те же мутации независимо повышали частоту в захватывающих популяциях", — говорит Ли.

Затем исследователи выяснили, как популяции Eurytemora, разделённые тысячами километров, могли сохранить достаточное генетическое сходство для такого уровня параллельной эволюции. Ли и Штерн обнаружили, что гены, подвергшиеся параллельной эволюции, испытали балансирующий отбор в родном ареале. Балансирующий отбор способствует поддержанию разнообразных аллелей — вариантов генов — для работы в разных условиях.

Для Eurytemora сезонные изменения солёности отбирали вариации генетических признаков, помогающих рачку выживать в широком диапазоне условий. Когда копепода попала в пресную воду, она смогла опереться на это генетическое разнообразие для адаптации к новому дому.

Большинство геномных регионов, изменившихся для адаптации к пресной воде, имеют неизвестные функции. Но исследователи обнаружили группу генов, сформированных параллельной эволюцией, с явной связью с изменением солёности. Один регион с семью копиями ионного транспортера, который может контролировать, сколько натрия закачивается в клетку, имел самую высокую плотность параллельной эволюции в геномах копепод.

"Мы ожидали, что ионные транспортеры будут играть большую роль. Это будет задача номер один, когда вы попадёте в пресную воду — начать закачивать больше ионов в клетку", — говорит Ли.

Исследователи полагают, что балансирующий отбор, вероятно, объясняет ряд других вторжений, особенно в Великие озёра. Другие захватчики, такие как зебровая и квагговая мидии, также происходят из районов с колебаниями солёности. Пока среда регулярно меняется в масштабе времени, превышающем репродуктивные циклы и поколения, балансирующий отбор — и последующее вторжение — возможны.

"Балансирующий отбор может быть широко распространённой эволюционной силой, которая предрасполагает определённые популяции к эволюции, когда они сталкиваются с эволюционным изменением окружающей среды", — заключает Ли.