Экология воскрешения: 600-летние дафнии помогли понять адаптацию к загрязнению
Одна из главных угроз озерам с развитием сельского хозяйства — сток удобрений с высоким содержанием фосфора. Это вызывает эвтрофикацию: смертоносные цветения водорослей, которые истощают жизненно важные питательные вещества в озере.
Чтобы изучить адаптацию организмов к эвтрофикации, нужно сравнить образцы до и после её начала — что казалось невозможным, так как проблема возникла с современным сельским хозяйством около 100 лет назад.
Используя дафний (Daphnia) в качестве модельного геномного организма, международная команда исследователей проанализировала современных дафний из богатого фосфором озера в Миннесоте и сравнила их с воскрешёнными из покоящихся яиц 600-летними дафниями из донных отложений.
Учёные из Школы биологических наук Университета Бирмингема под руководством Дагмар Фриш применили методы «экологии воскрешения» и современные аналитические инструменты. Открытия стали возможны только благодаря сравнению реакций современных дафний и их 600-летних предков.
И современные, и древние образцы происходят из одного и того же озера в Миннесоте, где эвтрофикация началась в начале XX века.
«Мы использовали существующие данные и передовые аналитические методы, чтобы связать паттерны экспрессии генов с физиологическими реакциями, которые позволяют этим животным справляться с повышенным содержанием фосфора в окружающей среде», — сказала Дагмар Фриш, эксперт по экологической палеогеномике. — «Это позволило нам определить, какая часть генной сети ответственна за вновь развившуюся реакцию».
Исследователи выявили большой кластер из нескольких сотен генов, уникально адаптированных у современных дафний к высоким уровням фосфора. Многие из этих генов вовлечены в ключевые метаболические пути, необходимые для выживания дафний.
«Мы использовали методы сетевого анализа, чтобы выяснить, какие гены «общаются» с другими, образуя кластеры (или «модули»), и как это генное общение изменилось у ключевого вида за последние 600 лет. Кроме того, мы смогли связать эти модули с конкретными наблюдаемыми признаками, что было достигнуто впервые в экологии воскрешения», — сказал соавтор Марчин Войеводич.
«Поскольку дафния является центральным видом в водных экосистемах, наше исследование в конечном итоге улучшает понимание того, как водные экосистемы могут смягчать некоторые последствия эвтрофикации, одной из основных глобальных угроз для пресноводных сред», — добавила соавтор Дёрте Беккер, эксперт по экологической «омике».
«Наше исследование подчёркивает, что эволюция — это результат молекулярной тонкой настройки, которая происходит на разных уровнях, от базовых клеточных ответов до сложных физиологических признаков», — сказала Беккер.
В дальнейшем команда планирует изучить, как эти генетические сети и другие молекулярные процессы, включая эпигенетику, играют роль в эволюционной адаптации к меняющейся среде.