Быстрая эволюция у рыб: геномные изменения за одно поколение

Исследователи из Базеля выявили генетическую основу быстрой адаптации на примере местного вида рыб. Они сравнили колюшек из разных местообитаний в районе Боденского озера. Их исследование показывает, что изменения в геноме можно наблюдать в течение одного поколения. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Обычно эволюцию рассматривают как медленный процесс. Однако в последние годы исследования показали, что адаптация по конкретным признакам может происходить быстрее. Тем не менее, лишь немногие исследования (за пределами микроорганизмов) смогли эмпирически продемонстрировать, как быстро естественный отбор формирует весь геном.

Команда под руководством доктора Даниэля Бернера из Департамента наук об окружающей среде Базельского университета представила доказательства быстрой эволюции в пределах одного поколения, используя колюшку в качестве модельного организма. Пятилетнее исследование сочетовало лабораторную работу, полевые эксперименты, математическое моделирование и геномный анализ.

Разные местообитания: озера и реки

В районе Боденского озера колюшки адаптировались к экологически разным местообитаниям — озерам и рекам. Чтобы изучить, как быстро адаптация происходит в масштабе всего генома, озерных и речных рыб скрещивали в лаборатории на протяжении нескольких поколений. Геномы двух экологических типов (эктотипов) были смешаны, что привело к созданию генетически разнообразной экспериментальной популяции.

На втором этапе исследователи выпустили тысячи этих экспериментальных рыб в естественную речную среду, где не было местной популяции колюшек, подвергнув их действию естественного отбора. Через год оставшихся рыб отловили и изучили генетически.

«Гипотеза этого эксперимента заключалась в том, что в речной среде, в которой экспериментальным животным пришлось выживать, частота генетических вариантов исходной речной популяции увеличится», — говорит Бернер. «Однако мы не знали, можно ли будет измерить это в пределах одного поколения».

Геномный анализ подтверждает гипотезу

Чтобы зафиксировать потенциальные изменения в геноме, исследователям сначала нужно было определить участки ДНК, с наибольшей вероятностью подверженные действию естественного отбора. Для этого они сравнили исходные озерную и речную популяции на основе данных о последовательности ДНК. Это выявило сотни участков в геноме, вероятно, важных для адаптации к условиям озера и реки. Именно в этих регионах затем сравнили данные о последовательности ДНК экспериментальной популяции до и после полевого эксперимента, чтобы выявить изменения в частоте генетических вариантов.

Результат подтвердил гипотезу: в среднем частота речных вариантов увеличилась примерно на 2.5% за счет озерных вариантов. «Эта разница может показаться на первый взгляд небольшой, но она действительно существенна, если экстраполировать ее на несколько десятков поколений», — говорит Бернер.

Эксперимент демонстрирует, что эволюция может происходить очень быстро, прямо у нас на глазах — и не только у микроорганизмов. «Такая быстрая эволюция может помочь некоторым организмам справиться с нынешними быстрыми изменениями окружающей среды, вызванными деятельностью человека», — заключает Бернер.