Удвоение генома движет эволюцию видов

Многие дикие и культурные растения возникают при объединении двух видов. Геном таких полиплоидных видов часто состоит из четверного набора хромосом — двойного набора от каждого родительского вида — и содержит примерно в два раза больше генов, чем исходные виды. Около 50 лет назад эволюционные биологи выдвинули теорию, что этот процесс движет эволюцию, приводя к появлению новых видов. Однако из-за размера и сложности таких геномов доказать эту теорию на генетическом уровне было сложно.

Международная команда исследователей под руководством Тимоти Паапе и Кентаро Шимидзу из Департамента эволюционной биологии и наук об окружающей среде Университета Цюриха (UZH) представила экспериментальное подтверждение этой теории. Учёные из Швейцарии и Японии использовали для этого вид растений Arabidopsis kamchatica из рода резуховидок. Они секвенировали геномы 25 особей полиплоидного вида со всего мира, а также 18 особей его родительских видов, чтобы изучить естественное генетическое разнообразие.

Arabidopsis kamchatica возник в результате естественной гибридизации двух родительских видов A. halleri и A. lyrata между 65 000 и 145 000 лет назад. Его геном, состоящий из 450 миллионов пар оснований, для полиплоидного растения относительно мал, но всё же очень сложен. Используя современные методы секвенирования, технологии и биоинформатические инструменты, исследователи смогли определить генетическую последовательность особей растения.

Благодаря большому объёму генетической информации A. kamchatica лучше приспособлен к новым условиям окружающей среды. «Этими результатами мы продемонстрировали на молекулярно-генетическом уровне, что удвоение генома может положительно влиять на приспособляемость организмов», — говорит исследователь растений Тимоти Паапе. Множественные копии генов позволяют растению приобретать полезные мутации, сохраняя при этом оригинальную копию важных генов.

Полезность двойного генома для A. kamchatica видна по его более широкому распространению — как на низкой, так и на высокой высоте — по сравнению с родительскими растениями. Его ареал простирается от Тайваня, Японии и российского Дальнего Востока до Аляски и северо-западного тихоокеанского региона США. «Знание геномного и эволюционного контекста также помогает понять, как генетическое разнообразие позволяет растениям адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды», — говорит Кентаро Шимидзу. Исследование было поддержано Приоритетной исследовательской программой UZH «Эволюция в действии: от геномов к экосистемам».