Растения используют сочетание внешних факторов для эволюции защитных механизмов

Растения развивают специализированные защитные химические вещества под совокупным влиянием генов, географии, демографии и условий окружающей среды, сообщается в исследовании, опубликованном в eLife.

Результаты выявляют закономерность в типах производимых растениями защитных химических веществ по всей Европе и описывают некоторые эволюционные процессы, которые их создают.

Будучи неподвижными организмами, растения для выживания полагаются на производство защитных химических веществ, называемых специализированными метаболитами. Специализированные метаболиты имеют широкие вариации в своей структуре, такие как количество молекул углерода и других химических групп, присоединённых к этим молекулам. Каждое растение в каждой среде имеет уникальный профиль специализированных метаболитов в результате генетической изменчивости, развившейся за годы под влиянием различных эволюционных процессов и событий.

Команда измерила вариацию специализированных метаболитов в популяции почти 800 образцов семян растения Arabidopsis thaliana (A. thaliana), собранных по всей Европе.

Они изучили три локуса в геноме растения, известные как влияющие на приспособленность A. thaliana, а также весь геном, чтобы найти гены, связанные с производством метаболитов. Затем они сгруппировали каждый ген в классы, представляющие типы специализированных метаболитов, называемые хемотипами. Это позволило увидеть, какие хемотипы наиболее распространены в разных регионах Европы, и выявить специфические географические закономерности. Например, в Центральной Европе и частях Северной Европы, таких как Германия и Польша, наблюдалась большая изменчивость хемотипов. Но в Южной Европе, включая Пиренейский полуостров, Италию и Балканы, преобладали два основных хемотипа, чётко разделённых географически.

Далее исследователи проверили, связаны ли эти географические различия в хемотипах с погодными и ландшафтными условиями. Они присвоили каждому гену экологическое значение на основе его местоположения — например, расстояние до побережья, количество осадков в самый влажный и самый сухой месяцы, температура самого тёплого и самого холодного месяцев. Они также разделили гены на северные и южные на основе их положения относительно Пиренеев, Альп или Карпатских гор. Используя наиболее часто встречающиеся хемотипы, они показали, что связь условий окружающей среды с хемотипами меняется в зависимости от географической области. Это говорит о том, что взаимосвязь между условиями окружающей среды и специализированными метаболитами варьируется в разных регионах Европы.

Наконец, они изучили, как эти гены эволюционировали с течением времени. Генетические признаки могут эволюционировать либо независимо внутри вида (конвергентная эволюция), либо путём параллельной эволюции, когда виды реагируют на сходные внешние вызовы сходным образом. Они обнаружили, что эволюция генов в трёх наиболее распространённых локусах генома формировалась под влиянием сочетания событий, напоминающих как параллельную, так и конвергентную эволюцию. Более того, наличие вариаций в каждом из трёх локусов также играет роль в дальнейшем формировании эволюции других генов. Скорее всего, это происходит потому, что эффекты различных специализированных метаболитов могут работать совместно или противодействовать друг другу, помогая растению выжить.