Анализ геномов хлебной плесени демонстрирует инструмент «обратной экологии»
Биологи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали подход «обратной экологии», показав, что адаптивные признаки организма можно определить, сначала изучив его геном и проверив вариации в популяции.
Исследование, которое будет опубликовано на неделе 31 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предлагает мощный новый инструмент для эволюционной генетики. Его можно использовать для мониторинга последствий изменения климата и разрушения среды обитания.
Учёные просканировали гены 48 различных штаммов Neurospora crassa — красной хлебной плесени, часто используемой в генетических исследованиях. Это модельный микроорганизм, так как разные штаммы можно быстро скрещивать и выращивать, а его рост происходит в светочувствительном суточном цикле, полезном для изучения циркадных ритмов.
Несмотря на популярность в лабораториях, об этом грибе в естественной среде известно мало. Поэтому исследователи специально выбрали дикие образцы из бассейна Карибского моря, Южной Америки и Африки. Популяционный анализ выявил поразительную картину вариаций в двух регионах генома, указывающую на действие естественного отбора.
В одном из этих регионов они обнаружили ген, известный своей важностью для выживания при низких температурах, и предположили, что гены в другом регионе могут играть ту же роль. Затем они показали, что представители популяции с уникальными вариантами этих генов-кандидатов на холодоустойчивость жили в регионах с более низкими минимальными температурами — в среднем до 9°C — и лучше росли в холоде, чем штаммы из тропического климата.
Исследователи также вырастили в лаборатории дикие штаммы Neurospora crassa вместе со штаммами, у которых гены-кандидаты на холодоустойчивость были удалены из генома, сохраняя все условия одинаковыми, кроме температуры. Они подтвердили, что штаммы с отключёнными генами холодоустойчивости хуже переносили низкие температуры.
«Это первый случай, когда популяционная геномика использовалась для поиска генов, важных для адаптации, без какого-либо представления об экологических параметрах, фенотипе, генах-кандидатах или даже границах популяции», — сказал руководитель исследования Джон Тейлор, профессор биологии растений и микробов Калифорнийского университета в Беркли.
Тейлор отметил, что обычный путь в исследованиях адаптации — сначала посмотреть на очевидные различия (например, цвет волос или кожи) между двумя близкородственными организмами. Затем учёные наблюдают среду обитания, чтобы увидеть, может ли она объяснить эти различия, и затем исследуют гены на наличие признаков естественного отбора.
«В нашем исследовании мы перевернули этот подход, начав с генов, показавших признаки отбора, а затем изучив факторы окружающей среды, которые могли на них влиять», — сказал Тейлор.
Такой подход «обратной адаптации» особенно полезен при изучении микробов.
«Микробы по своей природе незаметны, и, в отличие от мышей с разным окрасом шерсти, разные штаммы и виды выглядят практически одинаково», — сказал ведущий автор исследования Кристофер Эллисон, аспирант Калифорнийского университета в Беркли.
Как бы демонстрируя это, исследователи обнаружили, что то, что считалось единой группой родственных штаммов, на самом деле было двумя разными популяциями.
Относительная простота изучения такого микроорганизма, как Neurospora crassa, в лаборатории может сделать его привлекательным инструментом для мониторинга воздействия экологического стресса.
«Если температура является ключевым адаптивным фактором для популяций грибов и микробов в целом, это может иметь важные последствия для изучения изменения климата», — сказал Эллисон. «Адаптация — важнейшая часть эволюции, поэтому микробы можно использовать для мониторинга глобального изменения температуры».