В новом исследовании ученые из Университета штата Аризона и их коллеги изучили генетические изменения, происходящие в естественно изолированной популяции водяной блохи Daphnia pulex. Это крошечное ракообразное, едва заметное невооруженным глазом, играет важную роль в пресноводных экосистемах и открывает уникальное окно в естественный отбор и эволюцию.
Их выводы, представленные в текущем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences, опираются на десятилетие исследований. Используя передовые геномные методы, исследовательская группа проанализировала образцы ДНК почти 1000 дафний.
Они обнаружили, что сила естественного отбора на отдельных генах значительно варьируется из года в год, поддерживая изменчивость и потенциально повышая способность адаптироваться к будущим изменяющимся условиям окружающей среды, предоставляя исходный материал для действия естественного отбора.
В, казалось бы, стабильных средах наблюдается значительная флуктуация в частоте генных вариантов, известных как аллели, в определенных хромосомных регионах с течением времени, даже если общая сила отбора остается близкой к нулю в среднем на протяжении многих лет. Это говорит о том, что такая генетическая изменчивость позволяет популяциям оставаться адаптивными к изменениям окружающей среды.
«Это исследование впервые дало нам возможность заглянуть в типы временных изменений в частотах генов, которые происходят даже в, казалось бы, постоянных условиях, своего рода непрерывный поток генетических вариаций, распределенных по всему геному», — говорит ведущий автор исследования Майкл Линч из Центра биодизайна механизмов эволюции и Школы естественных наук в ASU
Дафнии, форма зоопланктона, веками завораживали биологов из-за их важной роли в водных экосистемах и способности адаптироваться к стрессовым факторам окружающей среды. Помимо их ценности для многопоколенческих генетических исследований, дафнии широко используются в качестве модельных организмов для тестирования токсичности пресной воды, поскольку они имеют быстрый бесполый репродуктивный цикл и чувствительны к различным загрязнителям окружающей среды.
Эти крошечные существа являются важным источником пищи для рыб и помогают контролировать рост водорослей. Их способность быстро адаптироваться к изменениям окружающей среды может содержать подсказки о том, как другие виды, в том числе те, которые важны для поставок продовольствия человеку, могут реагировать на загрязнение, изменение климата и другие стрессоры, вызванные человеком.
Было установлено, что большинство участков, исследованных на геноме дафнии, испытывают изменяющиеся давления отбора в течение периода исследования. В среднем эти давления имеют тенденцию уравновешиваться, чтобы иметь небольшой общий эффект, что означает, что ни одно направление отбора не доминирует последовательно с течением времени. Вместо этого генетические преимущества или недостатки определенных признаков меняются от одного периода к другому.
Эти результаты бросают вызов традиционному убеждению, что измерение генетического разнообразия (диапазона различных признаков в популяции) и генетической дивергенции (различий между популяциями) может легко показать, как последовательно работает естественный отбор. Вместо этого естественный отбор, по-видимому, работает с большей тонкостью и сложностью, чем считалось ранее.
Исследование открывает новые горизонты, точно определяя, когда и где в геноме происходит давление отбора. Помимо признаков, которые, как известно, сильно подвержены влиянию естественного отбора , мало информации о том, как частоты аллелей меняются со временем в естественных популяциях.
Многолетний полногеномный анализ почти 1000 генетических образцов из популяции Daphnia pulex показывает, что большинство генетических участков подвергаются разному отбору, при этом средний эффект близок к нулю, что указывает на незначительное постоянное давление отбора в разное время и распространение отбора по многим геномным областям.
Эти результаты ставят под сомнение обычное понимание генетического разнообразия и дивергенции как показателей случайного генетического дрейфа и интенсивности отбора.
Наблюдаемые закономерности отбора на различных участках генов обеспечивают механизм поддержания генетического разнообразия , что необходимо для быстрой адаптации. Исследование также показало, что гены, расположенные рядом друг с другом на хромосомах, имеют тенденцию развиваться скоординированно. Эта связь позволяет полезным комбинациям вариантов генов наследоваться вместе, что потенциально ускоряет процесс адаптации.
Этот эффект может помочь объяснить, как виды иногда адаптируются быстрее, чем обычно ожидают ученые. С другой стороны, тот же феномен может привести к тому, что вредные аллели будут вытеснены на более высокие частоты связанными полезными аллелями, что в некоторых случаях снизит общую эффективность отбора.
Исследование показывает, что эволюция более динамична и сложна, чем считалось ранее. Влияние окружающей среды на гены часто меняется, что, возможно, помогает видам сохранять генетическое разнообразие, необходимое для адаптации к будущим условиям. Это новое понимание может побудить ученых переосмыслить то, как они изучают эволюцию в дикой природе.
Хотя исследование было сосредоточено на Daphnia pulex, результаты могут иметь значение для понимания того, как другие виды могут реагировать на быстрые изменения окружающей среды, включая те, которые вызваны деятельностью человека, например, загрязнением и изменением климата. Оценка стабильности частот аллелей в более стабильных средах является важным предварительным шагом. Такие исследования имеют решающее значение, поскольку лабораторные эксперименты сами по себе не могут воспроизвести сложность влияния окружающей среды на дикие популяции.
Кроме того, понимание того, как эволюционируют дафнии, может дать представление об устойчивости целых экосистем. Эти знания могут помочь исследователям предсказывать и потенциально смягчать воздействие изменений окружающей среды на биоразнообразие и пищевые сети.
В то время как мир борется с ускоряющимся экологическим кризисом, исследования, подобные этому, дают важнейшее представление о способности природы к устойчивости и адаптации. Продолжая изучать этих крошечных существ, ученые надеются лучше понять фундаментальные механизмы эволюции и применить эти уроки в более широких экологических и природоохранных усилиях.
