Древние варианты гена у альпийского растения контролируют его цветение
Климат теплеет всё быстрее, особенно в Альпах, что создаёт вызов для организмов. Если они не расселяются на большие высоты, им приходится быстро адаптироваться к более высоким температурам в своём текущем местообитании, иначе их популяции сократятся и в конечном итоге исчезнут.
Гвоздика лесная (Dianthus sylvestris) служит примером климатической адаптации. Это многолетнее растение, широко распространённое в Альпах на высотах от 800 до 2400 метров. Хотя между высокогорными растениями и растениями с низких высот есть сходства, со временем между ними развились различия.
Ключевая характеристика — время цветения: на больших высотах гвоздика лесная цветёт сразу после таяния снега в июне. На более низких высотах растения начинают цвести в мае, но их вегетационный сезон в низинах начинается гораздо раньше. Как адаптация к более тёплым условиям долин, растения в долинах склонны к позднему цветению.
Десять лет назад Симоне Фиор и другие исследователи под руководством Алекса Видмера из Института интегративной биологии ETH Zurich начали изучать, как гвоздика лесная генетически адаптировалась к прошлым изменениям климата и что это может означать для её реакции на текущее изменение климата. Их текущее исследование опубликовано в журнале Science.
Раннее цветение для производства семян
В своём исследовании учёные изучили три популяции гвоздики лесной из долинных регионов и три из горных районов швейцарского кантона Вале. Они также проанализировали конкретный ген у 1000 особей по всему ареалу вида и провели эксперименты по пересадке.
«Гвоздика лесная в альпийских районах не только цветёт как можно раньше, но и производит семена как можно быстрее», — объясняет Видмер. «Это адаптация к короткому сезону на больших высотах. В отличие от них, у растений в долинных регионах больше времени».
Однако фундаментального изменения в поведении при цветении не произошло, когда исследователи пересадили растения из долин в горы. Как и на более низких высотах, они тратили больше времени, сначала наращивая растительную массу, а затем производя много цветов. Этим растениям также требовалось больше времени для производства семян. Когда снег выпадал в конце короткого горного лета, семена не успевали созреть.
Это «поведение» контролируется геном, который исследователи ETH впервые обнаружили в ходе этого исследования и который определяет время цветения и рост гвоздики лесной. Ген называется DsCEN/2, и у него есть два варианта, известные как аллели, которые различаются между двумя популяциями. Растения, растущие в долинах, преимущественно обладают «тёплым» аллелем, а в горах — «холодным».
Тёплый вариант задерживает цветение и стимулирует общий рост растения, что выгодно при долгом, тёплом лете. С другой стороны, холодный вариант контролирует раннее цветение у альпийских растений. «Оба аллеля определяют выживание гвоздики лесной в разных климатических зонах», — говорит Видмер.
Развитие, которое намного старше самой гвоздики лесной
Исследователи ETH с помощью моделей показали, что оба аллеля невероятно старые, «старше самой гвоздики лесной», — объясняет генетик растений.
Чтобы определить, когда эти аллели возникли в эволюции видов Dianthus, учёные также исследовали гены других видов, родственных гвоздике лесной. Эти анализы показывают, что важные различия между тёплым и холодным аллелями присутствуют даже у очень отдалённо родственных видов.
Исследователи пришли к выводу, что варианты гена возникли не из-за мутаций в самом геноме гвоздики лесной, а у других видов рода Dianthus. Один-два миллиона лет назад эти гвоздики пережили так называемую радиацию — быстрое видообразование из одного исходного вида в многочисленные новые виды.
В это время Земля чередовала ледниковые и межледниковые периоды на протяжении тысяч лет. По мере эволюции различных видов Dianthus два аллеля также возникли как адаптация к постоянно меняющемуся климату.
Благодаря различным механизмам, которые распределяют, реорганизуют и рекомбинируют генетический материал, два аллеля в конечном итоге стали частью генетического состава гвоздики лесной — и оказались полезными и для этого вида.
Существующая вариация реорганизуется посредством рекомбинации во время полового размножения. Именно так возникли тёплый и холодный аллели, которые позволили гвоздике лесной генетически адаптироваться к новым условиям окружающей среды быстрее, чем это было бы возможно только за счёт новых мутаций. Этот процесс, вероятно, особенно важен там, где происходит быстрая радиация во многие новые виды, как в случае с видами Dianthus. Эволюционно новые комбинации старых вариантов генов, подобные этой, предлагают широкую основу для адаптации ко многим различным экологическим условиям.
Хотя мутации у гвоздики лесной со временем происходят, два аллеля, определяющие время цветения, присутствуют уже сотни тысяч лет.
Будущая климатическая адаптация возможна
Два варианта гена, вероятно, будут играть роль в реакции гвоздики лесной на потепление климата в будущем: «тёплый» аллель уже присутствует в высокогорных популяциях, как показали исследователи. По мере дальнейшего роста температур этот вариант гена может продолжать распространяться там и стать доминирующим в будущем.
«Гвоздика лесная обладает инструментами из прошлого, чтобы адаптироваться к изменению климата в настоящем. Мы не знаем, есть ли у других альпийских растений такая же способность. Нет других исследований, которые бы так глубоко рассматривали эти вопросы», — подчёркивает Видмер.
Однако он отмечает, что текущий тёплый период происходит с беспрецедентной в истории скоростью. Смогут ли гвоздики лесные (и другие альпийские растения) адаптироваться достаточно быстро к этой ситуации — открытый вопрос, требующий дальнейших исследований.
«Вид может использовать только существующий генетический потенциал, который позволяет адаптироваться к изменению климата, при условии наличия достаточно больших, взаимосвязанных популяций», — говорит Видмер. Маленькие же изолированные популяции, напротив, рискуют вымереть быстрее.