Десятилетиями хранившиеся в озёрном иле ракообразные раскрыли генетические секреты эволюции в действии

Человеческая деятельность беспрецедентно быстро меняет среду. Популяции растений и животных вынуждены пытаться адаптироваться к этим изменениям, часто за счёт быстрой эволюции толерантности к новым условиям.

Исследователи из Университета Оклахомы Лоуренс Вайдер, профессор биологии, и Мэтью Версиби, докторант по биологии, продемонстрировали быструю эволюцию в действии, секвенировав геномы популяции Daphnia pulicaria — водного ракообразного из загрязнённого озера.

Исследование, проведённое в рамках диссертации Версиби, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Учёные возродили покоящиеся яйца дафний из озёрных отложений, которым десятилетия. Этот метод, известный как «экология воскрешения», был усовершенствован в лаборатории Вайдера. Затем они секвенировали полные геномы 54 особей дафний из разных временных точек, что позволило изучить генетику и эволюцию популяции.

Дафнии были собраны в озере Таннерс в Оукдейле, Миннесота. Это озеро сильно пострадало от загрязнения солью из-за широкого использования противогололёдных реагентов в его водосборном бассейне.

Дафнии, или водяные блохи, играют ключевую роль в экологическом мониторинге. Они более века используются как важные тест-организмы в лабораториях из-за чувствительности к многим стрессорам, включая химикаты. В природе дафнии — виды-ключ в пресноводных пищевых сетях: они очищают воду, питаясь водорослями, и служат пищей для промысловых и рекреационных видов рыб.

Результаты показывают, что быстрая адаптация к засолению может позволить дафниям сохраниться в условиях антропогенного засоления, поддерживая пищевые сети и экосистемные услуги. Однако способность популяций адаптироваться зависит от скорости изменений и их исходного генетического состава.

Хотя масштабы засоления озёр и их экологические последствия уже описаны, эволюционные аспекты изучены плохо. В данном исследовании обнаружены признаки естественного отбора в участках генома, связанных с осмо- и ионной регуляцией — ключевыми процессами для выживания в условиях высокой солёности. Тестирование клонов на солеустойчивость выявило, что генетические изменения могут лежать в основе быстрой эволюции.

«Мы обнаружили перспективный ген, который, похоже, плохо работает у старых дафний, но функциональная копия этого гена увеличивается в частоте — это и есть эволюция в действии», — сказал Версиби.

Такая работа — первый шаг к будущим исследованиям с использованием современных технологий, например, CRISPR. Это позволит создавать карты «генотип-фенотип» и прогнозировать роль генетических вариаций. В будущем редактирование неработающего гена у дафний поможет лучше понять влияние мутаций на сложные признаки, такие как солеустойчивость.