Гибридная морская трава может открыть путь к геномно-информированному восстановлению океанов и побережий

Морские травы защищают океаны, предоставляя убежище морской жизни, смягчая волны и поглощая избыток углекислого газа. Десятки видов, включая обыкновенную североамериканскую взморник (Zostera marina), защищают побережья по всему миру.

Но эти полезные подводные луга находятся под угрозой из-за судоходства, дноуглубительных работ, болезней и экстремальных погодных явлений. Усилия по восстановлению, которые просто высаживают больше Zostera marina, терпят неудачу примерно в половине случаев.

Ученые из Института Солка и Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего предлагают решение — геномно-информированное восстановление. В водах залива Мисшен-Бей в Сан-Диего начала расти новая гибридная морская трава. Гибрид представляет собой помесь Zostera marina, обитающей на мелководье, и её глубоководного родственника Zostera pacifica, чья толерантность к условиям низкой освещенности является благоприятным признаком, поскольку прибрежные воды становятся все более мутными.

Исследователи использовали передовые геномные и транскриптомные технологии для изучения гибрида. Они обнаружили, что гены, контролирующие внутренний механизм времени — циркадные часы, унаследованные от Zostera pacifica — могут помогать гибриду переносить низкую освещенность.

Ученые считают, что этот геномный профиль делает новый гибрид кандидатом для будущих усилий по восстановлению побережий в Калифорнии и за её пределами.

Исследование опубликовано в Nature Plants.

"Если этот гибрид унаследует инструменты Zostera pacifica для жизни при слабом освещении, он может стать новым путем для восстановления, определяя, где и как мы высаживаем новые морские травы, и какие гены или линии с наибольшей вероятностью выживут в мутных водах", — говорит старший автор Тодд Майкл, Ph.D. — "Потребуются дальнейшие полевые испытания, но генетика указывает на многообещающий путь к более устойчивым лугам морских трав".

Почему усилия по восстановлению терпят неудачу

Взморник выполняет множество функций: циклирует питательные вещества, улучшает качество воды и предотвращает эрозию побережий. Эти преимущества сделали его главной целью для восстановительных работ. Усилия по его изучению привели к полной расшифровке генома Zostera marina в 2016 году, а также к десятилетиям попыток восстановления.

Один из главных источников неудач стал ясен из 50-летнего ретроспективного анализа: Zostera marina не может выживать в условиях низкой освещенности. Она выработала механизмы, чтобы переживать предсказуемое сезонное снижение света зимой, расходуя запасы сахаров или впадая в состояние покоя. Однако сток с побережья и дноуглубительные работы в заливах снизили доступность света круглый год, подвергая траву стрессу дольше, чем она к этому биологически готова.

"Мы искали генетическую основу того, как морские травы справляются с условиями низкой освещенности", — говорит первый автор Малия Мур, Ph.D. — "Если существуют генетические особи, которые более устойчивы, и это закодировано в их геномах, можем ли мы это найти? И можем ли мы затем использовать эти знания для информирования усилий по восстановлению?"

Начало новой эры геномно-информированного восстановления растений

Когда Zostera pacifica и Zostera marina стали соседями на морском дне, они скрестились, создав гибридное растение. К счастью для исследователей, в заливе Мисшен-Бей растет обширная популяция этого гибрида. Гибриды часто превосходят своих родителей в экстремальных условиях, таких как низкая освещенность. Они также могут служить критически важными промежуточными звеньями, соединяющими виды, как Zostera marina (мелководье) и Zostera pacifica (глубокие воды).

Исследователи секвенировали геном гибрида и сравнили его транскриптом с Zostera marina, чтобы проверить, унаследовал ли он толерантность Zostera pacifica к низкой освещенности. Транскриптом показывает, какие гены активно используются — в данном случае, в условиях низкой освещенности.

Геномный анализ подтвердил, что гибрид является первым поколением от скрещивания двух видов. После этого команда вырастила гибрид и Zostera marina бок о бок в аквариумах с низкой освещенностью и сравнила их транскриптомы, чтобы выявить различия в реакции на свет. Эта установка была названа исследователями "экстремальным садоводством", поскольку выращивание этих капризных морских растений — сложная задача.

Транскриптомный анализ показал, что у Zostera marina и гибрида различается экспрессия генов, связанных с регуляцией света, использованием сахаров и стрессовыми реакциями. Несмотря на сниженное освещение, гибрид экспрессировал гены, вовлеченные в фотосинтез — эффект, не наблюдавшийся у Zostera marina. Наиболее заметные различия были в генах, контролирующих циркадные часы, такие как центральный ген отсчета времени LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY).

Циркадные часы у растений не только сообщают о наступлении рассвета и заката, но и интегрируют количество полученного света, контролируя рост. Ученые предполагают, что эти циркадные гены позволяют Zostera pacifica и гибриду собирать свет в течение более длительного периода дня. В то время как Zostera marina останавливается утром. Это может быть ключом к созданию более устойчивых лугов взморника, способных переживать сезонные штормы и цветение водорослей.

Будущее гибрида в восстановлении побережий

Внедрение этого гибрида в практику восстановления потребует дополнительных исследований и сотрудничества с экологами — экспертами по оценке влияния новых организмов на среду.

"Насколько гибрид репродуктивно жизнеспособен? Привлекает ли он других рыб и беспозвоночных? Создает ли он такую же биомассу? Есть масса вопросов о том, как гибрид может повлиять на экосистемы, в которые его высадят", — объясняет Мур. — "Теперь у нас есть гибрид и природная популяция для изучения того, как может работать восстановление".

Будущее восстановительных работ выглядит многообещающим. Современные геномные и транскриптомные технологии дают понимание того, как растения адаптированы к разным экологическим условиям. Узнав биологический механизм, объясняющий, почему одно растение выживает в конкретном месте, а его сосед гибнет, ученые могут начать геномно-информированное восстановление, создавая растения, "настроенные" на специфические среды, чтобы они защищали побережья, укрывали морскую жизнь, очищали мутные воды и многое другое.

"Большинство исследований сворачивают геномы в единый консенсус, но наша сборка гибрида разделяет субгеномы Zostera marina и Zostera pacifica, что позволяет нам однозначно отслеживать экспрессию генов от субгенома Zostera pacifica к гибриду", — говорит Майкл. — "С этими геномными ресурсами мы можем заменить метод проб и ошибок при высадке — который терпит неудачу в до 60% проектов по Zostera — на геномно-информированное восстановление, выбирая растения, чей геном соответствует среде, чтобы значительно улучшить приживаемость и долгосрочный успех".