Что ДНК пихты белой рассказывает о неолитических лесах
Новая методика позволяет экономично анализировать генетический материал из ископаемых остатков растений и животных. Исследователи из Швейцарского федерального института исследований леса, снега и ландшафта (WSL) и университетов Лозанны и Берна применили её для изучения ДНК хвои пихты белой, найденной в озёрных отложениях в Тичино. Они обнаружили свидетельства того, как леса реагировали на возникновение земледелия.
Новый процесс использует последние достижения в технологии ДНК для выделения древней ДНК (aDNA) из доисторических растений и животных. Однако существующие методы дороги. «Поскольку популяционным генетикам часто нужны десятки образцов для получения надёжных данных, многие исследовательские идеи сейчас финансово неосуществимы», — говорит Надир Альварес, профессор факультета экологии и эволюции Университета Лозанны.
Команда под руководством Альвареса и его коллег Кристофа Шперйзена (популяционный генетик WSL), Вилли Тиннера (профессор палеоэкологии Бернского университета) и Сары Шмид (биолог из Университета Лозанны) разработала экономичную альтернативу и продемонстрировала её потенциал на субфоссильных хвоях пихты белой из озера Орильо в Тичино. Результаты представлены в журнале Methods in Ecology and Evolution.
Игла в стоге сена
Работа с субфоссильным генетическим материалом сложна. «aDNA часто фрагментирована, химически повреждена и загрязнена генетическим материалом бактерий и грибов, — объясняет Шперйзен. — Например, в образцах из озёрных отложений только каждая сотая молекула ДНК происходит от пихты». Извлечение aDNA похоже на поиск иголки в стоге сена.
До сих пор учёные извлекали aDNA, добавляя в раствор образца химически синтезированные копии последовательностей ДНК, поскольку ДНК состоит из двух цепей с практически зеркальными последовательностями строительных блоков. К искусственной ДНК крепятся крошечные металлические шарики. Когда она связывается с aDNA, всю структуру можно извлечь магнитом.
Однако до более 90% ДНК растений и животных состоит из участков с неизвестной функцией, подобно поваренной книге с пустыми страницами. Новая методика, hyRAD-X, анализирует не всю цепь ДНК, а использует именно ту часть генома, которая экспрессируется (т.е. содержит инструкции для построения белка). Эти участки, кроме того, генерируются с помощью фермента, что удешевляет анализ aDNA в десять раз. Поскольку каждая пылинка содержит чужеродную ДНК, работу проводят в чистой комнате, как в новой национальной лаборатории по защите растений WSL.
Леса каменного века у озера Орильо
Исследователи использовали новую технику для изучения генетического разнообразия пихты белой до и во время появления земледелия у озера Орильо. Палеоботаник Тиннер изучил керн озёрных отложений и обнаружил слои древесного угля, а также пыльцу злаков и сорняков, что указывает на первые сельскохозяйственные активности между 7500 и 5000 лет назад, когда люди выжигали леса под поля и пастбища. Это привело к исчезновению всех теплолюбивых насаждений пихты белой в Тичино во второй половине голоцена; сейчас на их месте растут каштаны.
Результаты показывают, что популяция пихты белой (а с ней и её генетическое разнообразие) сократилась с началом земледелия и восстановилась около 6200 лет назад. «Сравнение ДНК пихт разного возраста показывает, что местная популяция генетически восстановилась заново, без участия пихт из других регионов», — говорит Шперйзен.
Генетическое разнообразие — ключевой фактор способности популяции справляться с изменениями окружающей среды. Высокое генетическое разнообразие увеличивает шансы адаптироваться, например, к более сухому климату. Понимание того, как экосистемы генетически восстанавливались после вмешательства человека, указывает на то, как они могут отреагировать на глобальное изменение климата и современные изменения в землепользовании. Теперь исследователи хотят применить методику hyRAD-X к другим субфоссильным образцам растений, чтобы выяснить, например, обладали ли вымершие теплолюбивые насаждения пихты в Тичино специфическими генетическими свойствами, которые могут оказаться важными в более тёплом климате.
В 2015 году WSL открыл чистую комнату, где исследователи работают при избыточном давлении, что предотвращает попадание в лабораторию пыльцы, пыли или других примесей. Популяционные генетики используют субфоссильный материал растений и животных для анализа ДНК и получения информации о прошлых экосистемах. Чистая комната размещена в национальной лаборатории по защите растений, построенной WSL совместно с Федеральным ведомством по охране окружающей среды (FOEN) и Федеральным ведомством по сельскому хозяйству (FOAG) Швейцарии.