Маленький веслоногий рачок показал, как расположение генов влияет на естественный отбор
Новое исследование Университета Висконсин-Мэдисон впервые предоставило эмпирические доказательства связи между хромосомным расположением генов и естественным отбором. Расположение генов может влиять на скорость адаптации популяций к быстрым изменениям окружающей среды.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, проанализировало геномы трёх видов-братьев комплекса Eurytemora affinis, чтобы проследить, как хромосомные слияния перемещали гены в ходе эволюции этих мелких водных ракообразных.
Учёные обнаружили, что даже слияния, произошедшие миллионы лет назад, влияют на способность современных видов адаптироваться.
До последних 80 лет эти копеподы жили в прибрежных эстуарных экосистемах. Недавно они вторглись в пресноводные экосистемы, такие как Великие озёра, через перевозку и сброс балластных вод судов.
Копеподы как модельный организм
Короткая продолжительность жизни и относительно небольшой геном сделали копепод идеальным модельным организмом. Постдокторский исследователь Чжэньюн Ду потратил почти три года на секвенирование геномов и картирование хромосомных слияний, чтобы выявить закономерности естественного отбора. Работа также показала, что у каждого вида-брата совершенно разное число хромосом.
Три вида (клады) копепод имеют общего предка и могут скрещиваться друг с другом, что редко для организмов с разным числом хромосом:
- Европейская клада — 15 хромосом.
- Клада Мексиканского залива — 7 хромосом.
- Атлантическая клада (ныне обитающая и в Великих озёрах) — всего 4 хромосомы.
Роль хромосомных слияний в адаптации
Хромосомные слияния — это мутации, объединяющие разные хромосомы в одну. Этот процесс может физически сближать гены с разных хромосом, потенциально связывая их в единицу наследования при естественном отборе.
Учёные предположили, что слияния, приведшие к разному числу хромосом, были полезны для выживания и поддерживались отбором в прошлом. Ключевым изменяющимся фактором среды была солёность.
Один из главных механизмов адаптации копепод к изменениям солёности — белки-ионные транспортеры. Исследователи обнаружили, что древние хромосомные слияния сгруппировали гены, кодирующие ключевые ионные транспортеры.
Кроме того, эти слияния переместили группы генов от подверженных рекомбинации плеч хромосомы ближе к её центру, где рекомбинация не разрывает комбинации полезных генетических вариантов.
Значение для эволюции и будущей адаптации
Учёные годами предполагали, что эволюция геномной архитектуры, особенно хромосомные слияния, может играть важную роль в адаптации. Это первое исследование, предоставившее эмпирические доказательства этой связи. Оно показывает, что по мере эволюции копепод естественный отбор, по-видимому, благоприятствовал слияниям, перемещавшим гены ионных транспортеров к центру хромосом.
Ключевой вывод: сайты слияний, созданные миллионы лет назад, до сих пор остаются «горячими точками» для естественного отбора у инвазивных популяций в Великих озёрах.
Хотя исследование сосредоточено на копеподах, его результаты важны для понимания эволюции генетической архитектуры и механизмов адаптации у других инвазивных видов. Они также имеют значение для прогнозирования того, какие популяции смогут выжить и адаптироваться к будущим изменениям климата.
«Архитектура генома, вероятно, оказывает глубокое влияние на то, как популяции реагируют на естественный отбор. Это повлияет на механизм отбора в популяции и определит, насколько быстро она может эволюционировать и реагировать», — говорит профессор Кэрол Юнми Ли.