Согласно новым исследованиям природы, массивные блоки генов, унаследованные вместе в стиле «подключи и работай», могут играть более важную роль в эволюционной адаптации, чем считалось ранее.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
Биологи идентифицировали 37 из этих так называемых «супергенов» в популяциях дикого подсолнечника и обнаружили, что они управляют модульной передачей большого спектра признаков, важных для адаптации к местным местам обитания. К ним относятся размер семян, время цветения, а также способность противостоять стрессам окружающей среды, таким как засуха или ограниченная доступность питательных веществ, среди многих других.
«Мы были очень удивлены, – говорит генетик Университета Британской Колумбии (UBC) Марко Тодеско. «Случаи, в которых отдельные супергены контролировали адаптивные признаки, были зарегистрированы ранее, но неясно, были ли они правилом или просто небольшим количеством странных исключений. Обнаружено, что супергены играют распространенную роль в адаптации и могут быть действительно массивное».
Самый большой из супергенов, идентифицированных в исследовании, состоит из более чем 100 миллионов пар оснований (больше, чем многие человеческие хромосомы) и 1819 генов.
Исследование могло бы помочь решить вопрос, оставленный без ответа теорией естественного отбора Дарвина, а именно, как популяции организмов, которые живут бок о бок и спариваются друг с другом, все еще способны адаптировать уникальные черты и расходиться в отдельные виды.
Подсолнечник Silverleaf, найденный на островах прибрежных барьеров (слева), цветет намного раньше, чем растения, растущие на близлежащих равнинах (справа).
«Изначально эволюционные биологи полагали, что географическая изоляция между популяциями необходима для того, чтобы они дифференцировались в экологические расы или отдельные виды», – говорит эволюционный биолог UBC Лорен Ризеберг. «Но недавние исследования показывают, что популяции, которые существуют бок о бок, могут дифференцироваться».
«Признаки, управляющие такой дифференциацией, часто, по-видимому, наследуются вместе как супергены, несмотря на генетический обмен с неадаптированными популяциями, находящимися поблизости. Во многих случаях растения могут адаптироваться к новой среде, заимствуя суперген или два из родственных видов это уже адаптировано.”
Примеры мест обитания, в которых супергены играли главную роль в адаптации видов подсолнечника, включают прибрежную равнину Техаса, песчаные дюны и прибрежные барьерные острова Мексиканского залива. В последнем случае суперген, длиной 30 миллионов пар оснований, контролирует разницу во времени цветения более двух с половиной месяцев между подсолнухами, приспособленными к барьерным островам Техаса и прибрежным равнинам. Ранняя цветущая версия супергена, обнаруженная в популяциях островков барьера, изначально была из общего подсолнечника.
В некоторых случаях виды доноров для супергена могут исчезнуть. «Мы думаем, что могло случиться, что вид прибывает в новую среду обитания,« крадет »адаптивные супергены у местного родственного вида , а затем заменяет этот вид», – говорит Тодеско. «Мы могли бы назвать это« супергеном-призраком », длительным вкладом вида, которого больше не существует».
Из-за их разнообразия и способности адаптироваться к неблагоприятным местам обитания дикие подсолнухи стали образцовой системой для эволюционных исследований.
«Genome BC инвестирует в эту работу с 2009 года», – говорит Лисей Маскаренас, директор сектора Agrifood and Natural Resources в Genome BC. «Сближение видения, стратегических инвестиций и научного лидерства помогло продвинуть инновации в исследованиях геномики подсолнечника, которые будут иметь значительные последствия для продовольственной безопасности и по-прежнему привлекать глобальные инвестиции в Британскую Колумбию».
Исследователи секвенировали геномы более 1500 растений из трех видов подсолнечника: общего подсолнечника (Helianthus annuus), подсолнечника прерии (Helianthus petiolaris) и подсолнечника подсолнечника (Helianthus argophyllus). Затем они рассмотрели связи между генетическими вариантами и более чем 80 признаками, которые они отслеживали на протяжении роста растений, а также с почвой и климатом их популяций происхождения. Результатом является крупнейшая и наиболее полная на сегодняшний день демонстрация того, что структурные варианты – перестройки структуры хромосом, которые в первую очередь ответственны за создание супергенов – играют фундаментальную и широко распространенную роль в адаптации и видообразовании.
В дополнение к супергенам, в исследовании также были выявлены многочисленные независимые гены, которые, по-видимому, придают устойчивость к стрессам окружающей среды, с которыми сталкиваются дикие подсолнухи, включая засуху, жару и низкий уровень питательных веществ. Эти независимые гены будут иметь неоценимое значение для селекционеров подсолнечника, поскольку они разрабатывают сорта, способные переносить более экстремальные условия выращивания, прогнозируемые при будущем изменении климата. С точки зрения сельского хозяйства они предлагают большую гибкость, чем супергены.
«Поскольку они работают как пакет, введение супергена в культивируемый подсолнечник будет означать перенос как полезных, так и вредных признаков, связанных с ним», – говорит Тодеско. «Хотя супергены содержат несколько генов, которые могут быть полезны в сельскохозяйственных условиях, они также содержат сотни других генов, некоторые из которых могут быть не столь полезны для культуры. Например, путем снижения урожайности или изменения содержания масла в семенах».
Источник: Университет Британской Колумбии
Фото: Shutterstock