Ускорение эволюции: эпигенетика орхидей

Организмы адаптируются к динамичной среде с помощью различных стратегий. Овидиу Паун из Департамента систематической и эволюционной ботаники исследует, как болотные орхидеи приспосабливаются к разным местообитаниям и расселяются в них. Первые результаты показывают, что будущее не столь мрачно, как можно было ожидать: вариации в эпигенетической информации, недавно обнаруженной как наследуемые сигналы вне ДНК, позволяют растениям быстро адаптироваться к изменениям окружающей среды.

Эпигенетика изучает наследуемые сигналы, не закодированные в последовательности ДНК. Эти сигналы могут модифицировать паттерны экспрессии генов и являются частью механизмов реакции особи на окружающую среду. Они оказывают значительное влияние на процесс перевода генетической информации в фенотип, то есть на характеристики организма.

Эпигенетика и экологические проблемы

Эпигенетические сигналы способны меняться быстро и в широких масштабах, в то время как генетическая информация мутирует гораздо дольше. Поэтому эпигенетические исследования хорошо связаны с экологическими проблемами, такими как изменение климата. Один из таких механизмов — метилирование ДНК, простая химическая модификация, которая приводит к снижению активности или даже "заглушению" (инактивации) определенного гена.

Эволюция цветковых растений

В ходе эволюции растений неоднократно происходила дупликация всего генома, в результате чего в ядре клетки оказывалось вдвое больше генов. Получившиеся геномы содержат так называемые избыточные гены — копии, выполняющие сходную функцию. Со временем эти копии дивергируют и могут приобретать новые функции — это ключевой путь эволюции и усложнения растений. У более поздних полиплоидных организмов не один набор хромосом от матери и отца, а два или даже больше от каждого родителя. Поскольку эпигенетические сигналы могут включать и выключать разные копии генов, у них более широкое "поле для игры" в полиплоидных растениях.

Адаптивность орхидей

Один из первых задокументированных примеров эпигенетической вариации в природных популяциях был обнаружен у трех изучаемых ботаником орхидей: Dactylorhiza majalis, D. traunsteineri и D. ebudensis. Эти растения — природные гибриды одной и той же пары родительских видов, и у всех вдвое больше хромосом, чем у родителей. Несмотря на одинаковое генетическое наследие, они различаются морфологически и демонстрируют разные экологические адаптации. Паун планирует проанализировать экспрессируемые гены с помощью современных методов, чтобы выяснить, являются ли основные различия между орхидеями количественными (например, разная степень экспрессии одного и того же гена), и связать эту вариацию с адаптацией к разным средам.

Разная морфология

Предыдущие результаты Пауна показали, что фенотипическая вариация этих орхидей обусловлена эпигенетическими изменениями — "заглушением" и активацией разных комбинаций генов у разных видов под влиянием специфической среды.

• Dactylorhiza ebudensis — эндемик острова в Шотландии, образует единственную популяцию с растениями не выше 10 см и несколькими цветками на соцветие.
• D. majalis — распространена в Пиренеях, Альпах и Скандинавии, вырастает до 90 см с около сорока цветками на соцветие.
• D. traunsteineri — встречается в Скандинавии, Британии и Альпах, морфологически занимает промежуточное положение.

Все три орхидеи обитают на болотистых участках, но предпочитают разную влажность и pH почвы. Исследования показали, что комбинация температуры и количества доступной воды также критически важна для расхождения этих орхидей в разных местообитаниях.

В Альпах

Помимо молекулярных исследований, проект включает экспериментальную часть, проводимую в Ботаническом саду Университета и в Альпах.