Природная «лаборатория» раскрывает, как генетическое разнообразие помогает растениям процветать
Исследование под руководством учёных из Ноттингемского университета показало, что растения, эволюционируя для адаптации к условиям среды, также сохраняют определённую степень генетического разнообразия, чтобы оставаться на шаг впереди меняющихся условий.
Работа, опубликованная в журнале PNAS, может углубить понимание того, как можно выводить сельскохозяйственные культуры будущего, чтобы они были более устойчивыми и соответствовали спросу растущего населения планеты.
Исследование на Arabidopsis thaliana
Исследование было сосредоточено на модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), сравнивая растения, растущие в солёных прибрежных регионах, с теми, что процветают в глубине суши.
Был обнаружен неожиданный результат: чем солонее местность, тем больше растений имели естественный генетический вариант, повышающий их толерантность к натрию. Однако, что странно, не все прибрежные растения обладали этим геном.
Учёные полагают, что из-за колебаний уровня засолённости почвы (под влиянием морских брызг и естественных осадков) разнообразие популяции становится критически важным, позволяя растениям адаптироваться к изменениям в окружающей среде.
Быстрая адаптация и важность разнообразия
«Популяции быстро реагируют на изменение климата, сохраняя разнообразие, которое было привнесено извне. Таким образом, эта "адаптивность" популяции создаётся не только за счёт локальных инноваций, но и путём удержания разнообразия», — пояснил соавтор исследования, доцент Леви Янт.
«Это исследование показывает, что целое лучше своих частей: поддержание разнообразия в популяциях может позволить быстро адаптироваться к изменчивому климату».
Полевые эксперименты на Иберийском полуострове
Предыдущие лабораторные эксперименты выявили ген, участвующий в контроле накопления соли в растениях, и установили, что этот естественный генетический вариант встречается у прибрежной Arabidopsis thaliana.
В новом исследовании полевые эксперименты были организованы на Иберийском полуострове, чтобы выяснить, каким образом прибрежные растения могут быть лучше адаптированы к своим условиям. Контрольные эксперименты были проведены в глубине суши в радиусе 30 км. Успех измерялся по производству семян.
Было обнаружено, что все растения с естественным генетическим вариантом росли не дальше 1,5 км от побережья и не встречались в глубине суши.
Но, что удивительно, также выяснилось, что растения, растущие очень близко к берегу (менее 500 м от моря), не имели этого гена. Вариант гена встречался у растений в полосе от 500 м до 1 км от моря, и популяции в этой зоне представляли собой смесь растений с генетическим вариантом и без него.
Устойчивость к стрессу и уроки для сельского хозяйства
Популяция становится более устойчивой, имея в своём составе как растения с геном, регулирующим засолённость, так и без него. Это ставит вопросы перед сельским хозяйством: обеспечивает ли поддержание смешанных популяций большую устойчивость в долгосрочной перспективе? И если мы будем выращивать пшеницу разных типов, будет ли популяция лучше выдерживать меняющиеся климатические условия с течением времени?
Изучение этого механизма может помочь в создании культур, лучше справляющихся с такими стрессорами окружающей среды, как высокое содержание соли в почве или засуха.
«Здесь мы видим намёк на необычайную сложность и тонко настроенные адаптированные системы в природе. Следующие шаги включают масштабные усилия по "ландшафтному геномному" секвенированию, чтобы расширить этот взгляд и раскрыть более глубокую картину эволюционной адаптации», — добавил доктор Янт.
Исследование Fluctuating selection on migrant adaptive sodium transporter alleles in coastal Arabidopsis thaliana также проводилось с участием учёных из Центра Джона Иннеса, Нанкинского сельскохозяйственного университета и Автономного университета Барселоны.