Семейные сети могут лучше отражать эволюционные изменения у растений, чем семейные деревья

Новый ассистент-профессор биологии растений и микробов в Университете штата Северная Каролина Джордж Тайли и его коллеги опубликовали статью-перспективу в Proceedings of the National Academy of Sciences о смене парадигмы в представлениях об эволюции. Речь идет о так называемой ретикулярной (сетчатой) эволюции, которую лучше описывают «семейные сети», а не «семейные деревья».

Что такое филогенетические сети?

Это новая концепция, хотя биологи давно знают о гибридизации (скрещивании организмов из разных видов или популяций) и потоке генов (переносе генетического материала между популяциями). Классические примеры — подсолнечник, пшеница или батат из NC State.

До недавнего времени эволюцию представляли в виде дерева, что восходит к Дарвину. Использование «семейных деревьев» для растений было удобно с вычислительной и математической точки зрения.

Однако за последние 20 лет произошел скачок в теории вероятностей и вычислительных мощностях, позволивший оценивать вероятность существования сети. Теперь мы можем пересматривать исследования биоразнообразия с помощью сетей, учитывая историю потока генов между видами.

«Древо жизни» заменяется «паутиной жизни»?

Именно так. Термин «паутина жизни» лучше отражает древние события потока генов, а также обмен генами между современными популяциями.

В 1990-х, секвенируя один хлоропластный ген, ученые получали семейное дерево с хорошо подтвержденными и слабыми связями. Теперь, секвенируя целые геномы, мы все равно сталкиваемся с неопределенностью в некоторых связях «древа жизни» растений. Проблема не в недостатке данных, а в других процессах. «Паутина жизни» помогает объяснить эти ретикулярные процессы и прояснить эволюцию важных признаков у растений.

Как сети влияют на сохранение видов?

Иногда мы находим микроэндемичные виды — генетически отличные, с особыми признаками, но с ограниченным ареалом. Возникает вопрос: заслуживают ли гибриды защиты?

Ресурсы на охрану природы ограничены, и необходимо расставлять приоритеты. Сетевой анализ — это инструмент, который помогает менеджерам по охране природы принимать решения. Он дает важную информацию, особенно по мере интеграции генетических данных в оценку риска вымирания.

Как сети влияют на исследования биоразнообразия?

Биоразнообразие можно оценивать по количеству видов (альфа-разнообразие) или по филогенетическому разнообразию (степень эволюционной расхожести). Сети добавляют еще один уточняющий слой: они показывают, сколько из видов в данной области не являются эволюционно самостоятельными единицами, а представляют собой более мимолетные гибридные формы.

Изучение ретикулярных процессов показывает, что гибриды часто оказываются менее приспособленными, чем родительские виды, и могут вымирать, оставляя после себя лишь следы потока генов.

Главная задача — донести до исследователей, что эти инструменты теперь доступны и жизнеспособны. Раньше их игнорировали из-за вычислительной сложности, но теперь ситуация изменилась.

Пример из биоразнообразия юго-востока США

Отличный пример для Северной Каролины — саррацения (хищное растение-кувшинчик). Эта группа гиперразнообразна, и в ее эволюции были древние события потока генов. Понимание этой сетевой истории может прояснить распространение видов, процессы, приведшие к современному разнообразию, и помочь в определении их природоохранного статуса.

Будущие направления работы

Существует разрыв между фундаментальными исследованиями в эволюционной биологии и их применением в селекции растений. Понимание эволюционных процессов, особенно древней гибридизации, критически важно для изучения генетики сельскохозяйственно ценных признаков.

Задача лаборатории — превратить эти знания в инструмент, полезный для поиска генов, лежащих в основе древних гибридизаций, которые могут быть использованы селекционерами, и для решения сложных проблем эволюционной биологии.