Эволюционные биологи выяснили, как холодоустойчивые растения адаптируются к среде

Холодоустойчивые растения, такие как ложечница, хорошо адаптировались к холодному климату ледниковых периодов. Чередование холодных и теплых фаз привело к появлению множества видов и пролиферации генома.

Эволюционные биологи из университетов Гейдельберга, Ноттингема и Праги изучили влияние удвоения генома на адаптивный потенциал растений. Результаты показывают, что полиплоиды — виды с более чем двумя наборами хромосом — могут накапливать структурные мутации, несущие сигналы возможной локальной адаптации, что позволяет им повторно занимать экологические ниши.

Род ложечница из семейства Brassicaceae отделился от своих средиземноморских родственников более десяти миллионов лет назад. Пока их прямые потомки специализировались на реакции на засуху, ложечница (лат. Cochlearia) заселила холодные и арктические местообитания в начале ледникового периода 2,5 миллиона лет назад. В более ранних исследованиях группа под руководством проф. д-ра Маркуса Коха изучала, как Cochlearia неоднократно адаптировалась к быстро чередующимся холодным и теплым периодам за последние два миллиона лет.

Среди прочего, вновь возникшие холодоадаптированные растения сформировали отдельные генные пулы, которые контактировали друг с другом в холодных регионах. Обмен генами привел к появлению популяций с несколькими наборами хромосом. Постоянно уменьшая размер своего генома, они затем могли снова и снова занимать холодные экологические ниши.

Тем не менее, как объясняет проф. Кох, до сих пор было мало известно о геномных механизмах и потенциале, позволяющих растениям адаптироваться к быстрым изменениям окружающей среды.

«Это тем более удивительно, поскольку большинство наших важнейших сельскохозяйственных культур полиплоидны и, следовательно, имеют несколько наборов хромосом. Этот факт является результатом сильного отбора в процессе культивирования и селекции», — отмечает проф. Кох, чья исследовательская группа «Биоразнообразие и систематика растений» базируется в Центре организменных исследований Гейдельбергского университета.

В текущем исследовании под руководством проф. д-ра Леви Янта был секвенирован диплоидный референсный геном с двумя наборами хромосом альпийского вида ложечницы Cochlearia excelsa и реконструирован так называемый пангеном. Он объединяет различные последовательности геномов и, следовательно, показывает генетические вариации между особями и другими видами. Для этого были проанализированы более 350 геномов различных видов Cochlearia с разным числом наборов хромосом.

«К удивлению, результаты показывают, что полиплоиды действительно демонстрируют геномные структурные варианты с сигналами возможной локальной адаптации чаще, чем диплоидные виды», — объясняет проф. Янт, исследователь эволюционной геномики в Ноттингемском университете (Великобритания).

Эти структурные мутации скрыты дополнительными копиями генома и поэтому в определенной степени защищены от отбора, поскольку накопление структурных вариантов также может привести к потере функции. С помощью своих моделей международная исследовательская группа также смогла продемонстрировать, что специфичные для полиплоидов структурные варианты появляются именно в тех областях генов, которые могут играть значительную роль в будущей адаптации к климату.

Подробный анализ геномных данных показал, что в основном это касается биологических процессов прорастания семян или устойчивости к болезням растений, согласно д-ру Филипу Колару, который проводит исследования в Карловом университете в Праге и в Чешской академии наук.

Однако, как подчеркивает проф. Кох, маловероятно, что виды Cochlearia, встречающиеся сегодня в Центральной Европе, в конечном итоге переживут изменение климата.

«Особенно диплоидная Cochlearia excelsa не может мигрировать дальше в более высокие и холодные районы австрийских гор, поскольку этот вид ложечницы уже в некоторой степени достиг вершинных регионов. Ложечнице Пиренеев из среднеевропейской холмистой и горной местности также будет трудно», — объясняет он.

Однако исследователи показали, что весь генофонд, особенно у полиплоидных холодоустойчивых специалистов, может сохраниться, особенно в северных регионах Земли. Таким образом, эволюционная история этих крестоцветных растений дает представление о том, как растения смогут справляться с изменением климата в будущем.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.