Метаболомика вместо генетики: новый подход к изучению эволюции растений в Андах

Исследование бразильских учёных на примере рода растений Espeletia (72 вида), эндемичного для парамо — влажного высокогорного биома северных Анд, — показало, что метаболомика может быть более точным инструментом для реконструкции процесса видообразования, чем традиционный генетический анализ. Результаты опубликованы в Scientific Reports в августе 2017 года.

Химический профиль как ключ к эволюционной истории

Учёные из Фармацевтической школы Университета Сан-Паулу (FCFRP-USP) впервые применили метаболическое профилирование (анализ всего набора химических веществ — метаболома) для изучения эволюции Espeletia.

• Метод: Сочетание анализа экстрактов растений, географических данных и многомерной статистики.
• Результат: Обнаружена чёткая корреляция между химическим составом вида и его географическим происхождением. Виды из одних и тех же локаций имеют сходные химические профили.
• Вывод: География Анд не только определила эволюцию этой группы растений, но и сформировала химический состав видов.

Это подтвердило гипотезу 1990-х годов (Национальный музей естественной истории США, Смитсоновский институт) о происхождении и путях миграции Espeletia по северным Андам, которая ранее имела лишь частичное подтверждение на основе молекулярных маркеров.

Вторичные метаболиты указывают на адаптацию и изоляцию

Анализ вторичных метаболитов (химических соединений, участвующих в адаптации растений к экосистеме) выявил паттерны географического распределения и химической диверсификации в парамо.

• Фрагментированный биом: Парамо, из-за сложного рельефа Анд, биологически и географически похож на архипелаг, где «острова» растительности разделены лесами или долинами.
• Фактор изоляции: Эта географическая изоляция критически важна для видов с ограниченным рассеиванием семян и отсутствием опылителей на большие расстояния, таких как Espeletia.
• Аллопатрическое видообразование: Исследование доказало, что изоляция привела к аллопатрическому видообразованию (по Дарвину) — возникновению видов в разных регионах из-за географических барьеров. Виды в разных парамо различаются не только генетически и морфологически, но и химически.

«В каждом парамо большинство видов накапливают разные химические соединения, которые, возможно, связаны с их адаптацией к этой конкретной географической области», — отметил Федерико Падилья, соавтор статьи.

Широкие перспективы метода

Новый подход позволяет изучать практически все метаболиты растения одновременно с помощью современных методов, таких как жидкостная хроматография, сопряжённая с масс-спектрометрией.

«В классической фитохимии мы изучали одно растение за раз... Теперь мы можем собрать 100 или более растительных экстрактов, проанализировать их все одновременно и получить матрицу данных, потенциально представляющую более 1000 химических соединений», — пояснил Падилья.

Аналогичные модели можно применять для получения метаболических «отпечатков» других растений с целью анализа их биогеографической и эволюционной истории — в сельском хозяйстве, для изучения лекарственных растений или даже в криминалистике (например, для определения происхождения марихуаны).