Классическая динамика рецессивных и доминантных генов может быть сложнее
Популяции живут в быстро меняющихся условиях — засухи, смена источников пищи, деятельность человека. Это создаёт загадку: как популяции сохраняют генетическое разнообразие, необходимое для будущих вызовов, если естественный отбор должен устранять варианты, долгое время бесполезные?
Исследователи из Стэнфорда изучили этот вопрос, отслеживая эволюцию популяций плодовых мух в условиях контролируемого воздействия пестицидов. Их работа, опубликованная 15 сентября в Nature Ecology & Evolution, представляет первые прямые доказательства теории «реверсии доминантности» в меняющейся среде.
Классически генетические варианты (аллели) считаются строго доминантными или рецессивными. В случае реверсии доминантности один и тот же генетический вариант является доминантным, когда полезен (обеспечивает устойчивость к пестицидам), но рецессивным, когда вреден (снижает приспособленность в отсутствие пестицидов).
«Это как будто у мух есть скрытый щит. Когда он не нужен, он не мешает. Но он готов, как только возникает угроза», — пояснил старший автор Дмитрий Петров.
«То, что мы наблюдаем, может быть общим механизмом, позволяющим популяциям удерживать генетические варианты, которые могут понадобиться для будущих изменений среды», — сказала ведущий автор Марианти Карагеорги.
Эволюция в экспериментальном саду
Исследователи проанализировали генетические данные мух из разных сред, включая органические фермы. Лабораторные эксперименты подтвердили, что аллели устойчивости к пестицидам сохраняются с промежуточной частотой и что доминантный устойчивый аллель в отсутствие пестицидов негативно влияет на выживание и размножение.
Для проверки гипотезы в полевых условиях команда использовала экспериментальную эволюцию в большом уличном вольере с персиковым деревом. Одна группа клеток подвергалась воздействию пестицида, имитирующего сезонное применение, другая — нет. Каждые два поколения учёные отбирали пробы, отслеживая устойчивость и частоту генетических вариантов.
В обработанных клетках популяции быстро реагировали на пестицид: устойчивость и связанный с ней аллель резко возрастали, а затем постепенно снижались после прекращения воздействия. Однако в необработанных клетках сохранялись как устойчивые, так и неустойчивые генетические варианты.
Математическое моделирование частот аллелей подтвердило работу реверсии доминантности. Аллели устойчивости действовали как доминантные в присутствии пестицидов, но как рецессивные в их отсутствие, что позволяло им сохраняться даже без давления пестицидов.
Эта гибкость позволяет аллелям быстро обеспечивать высокий уровень устойчивости, когда это необходимо, и «скрываться» от естественного отбора, когда их присутствие было бы вредным.
Как землетрясение
Исследователи также изучили эффекты за пределами локусов устойчивости. Применение пестицидов изменило частоты аллелей не только в локусе устойчивости, но и по всей хромосоме.
«Эффекты этой реверсии глобальны и очень кратковременны. Это немного похоже на землетрясение — как будто здания рухнули в Чикаго, и мы чувствуем толчки здесь, а затем внезапно в обоих местах снова спокойно», — сказал Петров.
Идея о том, что реверсия доминантности способствует этим эффектам, поднимает фундаментальные вопросы о том, как сильные естественные и антропогенные давления влияют на геномное разнообразие в меняющихся средах. Это предполагает, что в некоторых случаях они могут даже задавать уровни генетического разнообразия в природных популяциях.