Генетические мутации и компромиссы приводят к параллельной эволюции

Организмы в природе адаптируются и эволюционируют в сложных условиях. Например, микробы в дикой природе сталкиваются с необходимостью адаптировать сразу несколько признаков одновременно под воздействием изменений в питательных веществах, антибиотиках и хищничестве. Но как протекает эволюция, когда для выживания необходимо улучшить несколько признаков одновременно?

Наследуемые генетические мутации могут изменять фенотипические признаки и позволять популяциям адаптироваться к среде, но адаптация часто ограничена компромиссами: мутация, полезная для одного признака, может быть вредна для другого.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне показали, как протекает эволюционная динамика, когда отбор действует на два признака, связанных компромиссом.

Исследование возглавил Сеппе Кун. Команда изучала популяции бактерии Escherichia coli, которые могут пройти сотни поколений за одну неделю.

Команда отбирала популяции E. coli на более быстрое перемещение через пористую среду. Количественная модель показала, что популяции могут достичь максимальной скорости миграции, улучшив сразу два признака — скорость плавания и скорость роста (деления клеток).

Ключевой результат: Популяции достигали более быстрой миграции через два расходящихся эволюционных пути, которые были взаимоисключающими. Популяции улучшали либо скорость плавания, либо скорость размножения, но не оба признака сразу.

Роль среды: Среда отбора определяла, какой эволюционный путь выбирали популяции.

• В богатой питательными веществами среде более быстрое плавание означало более медленное размножение.
• В бедной питательными веществами среде более медленное плавание и более быстрое размножение приводили к тому же желаемому результату — более быстрой миграции.

Секвенирование ДНК эволюционировавших популяций выявило мутации, ответственные за адаптацию в каждом условии. Когда эти мутации внедряли в исходный штамм с помощью генной инженерии, эти клетки демонстрировали более быструю миграцию и тот же фенотипический компромисс.

Принцип «легкого пути»: Эволюция идёт в направлении, которое генетически легко достижимо. В обоих случаях мутации нарушали работу генов негативной регуляции, функция которых — снижать экспрессию генов или уровень белков. Статистически легче найти мутацию, которая ломает что-то, чем мутацию, которая создаёт новую функцию.

Значение: Улучшение прогнозного моделирования эволюции потребует понимания того, как мутации изменяют регуляцию клеточных процессов и как эти процессы связаны с компромиссами, ограничивающими признаки.

Результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife.