Генетическая основа камуфляжа у альпийских растений рода Corydalis раскрыта

Более 40% видов альпийских растений на Цинхай-Тибетском плато и в прилегающих регионах имеют типичную камуфляжную окраску.

Совместная исследовательская группа из Куньминского института ботаники Китайской академии наук и Ланьчжоуского университета обнаружила новые генетические и экологические механизмы, лежащие в основе камуфляжа растений. Их результаты, опубликованные в Nature Ecology & Evolution, показывают, как давление травоядных движет эволюцией окраски листьев у альпийских видов Corydalis.

На высокогорных осыпях (выше 4 000 м) на юго-западе Китая циклы замерзания-оттаивания дробят скалы в подвижный гравий. Некоторые виды Corydalis демонстрируют окраску листьев, которая почти идеально соответствует каменистому субстрату, делая их почти невидимыми — они заслужили титул «мастеров камуфляжа».

Эти растения служат критически важными хозяевами для бабочек рода Parnassius, чьи личинки питаются исключительно Corydalis. Самки бабочек полагаются на визуальные сигналы для поиска растений-хозяев для откладки яиц, что указывает на то, что давление травоядности стало движущей силой эволюции камуфляжа у этих растений.

Генетический механизм камуфляжа

Исследователи использовали диморфизм окраски листьев (когда камуфлированная и зеленая морфы сосуществуют) и популяционную изменчивость, чтобы раскрыть генетический механизм камуфляжной окраски у Corydalis hemidicentra.

Собрав высококачественные геномы двух морф (камуфляжной и зеленой) и интегрировав транскриптомный и метаболомный анализы, ученые обнаружили, как специфическая экспрессия структурных генов пути биосинтеза антоцианов и накопление метаболитов приводят к появлению камуфлированных листьев.

Полногеномный ассоциативный анализ (GWAS) с использованием высококачественных наборов данных SV и SNP, включающих 157 особей из шести популяций, выявил, что с камуфляжем листьев сильно коррелирует 254-п.н. вставка транспозона в ген bHLH35 (bHLH35-ins) на четвертой хромосоме.

Эта вставка действует как энхансер гена bHLH35, увеличивая его транскрипционную активность и уровень экспрессии. Поскольку bHLH35 является фактором транскрипции, регулирующим синтез антоцианов, его повышенная активность усиливает экспрессию нижележащих структурных генов и способствует накоплению антоцианов в листьях, придавая им серый, каменистый цвет.

Экологическая эффективность и коэволюция

Полевые эксперименты с муляжами листьев, напечатанными на 3D-принтере, показали, что бабочки преимущественно посещали и откладывали яйца возле зеленых растений. В естественных условиях камуфлированные растения страдали от травоядности бабочек меньше и имели более высокий показатель завязывания плодов.

Анализ эффективной численности популяций растений и бабочек, а также климатических данных за последние 500 лет выявил зеркальную картину колебаний между популяциями растений и бабочек. В теплые периоды популяции зеленых растений резко сокращались, а популяции бабочек оставались стабильными. И наоборот, популяции камуфлированных растений оставались стабильными, в то время как численность бабочек Parnassius снижалась.

Интегрируя сенсорную экологию, молекулярную биологию и эволюционную биологию, исследователи выяснили генетические и экологические адаптивные механизмы, лежащие в основе камуфляжной окраски Corydalis hemidicentra. Это исследование дает новое понимание стратегий выживания альпийских растений.