Супергены играют большую роль в эволюции, чем считалось ранее
Массивные блоки генов, наследуемые вместе по принципу «подключи и работай», могут играть более значительную роль в эволюционной адаптации, чем предполагалось. К такому выводу пришли авторы нового исследования, опубликованного в Nature.
Биологи выявили 37 таких так называемых «супергенов» в популяциях диких подсолнечников. Они управляют модульным переносом широкого спектра признаков, важных для адаптации к местным условиям обитания. К ним относятся размер семян, сроки цветения, а также способность противостоять таким стрессам, как засуха или ограниченная доступность питательных веществ.
«Мы были весьма удивлены, — говорит генетик из Университета Британской Колумбии (UBC) Марко Тодеско. — Случаи, когда отдельные супергены контролировали адаптивные признаки, описывались и раньше, но не было ясно, правило это или лишь небольшое число исключений. Мы обнаружили, что супергены играют повсеместную роль в адаптации и могут быть поистине огромными».
Самый крупный из супергенов, идентифицированных в исследовании, состоит из более чем 100 миллионов пар оснований (что больше, чем многие человеческие хромосомы) и включает 1819 генов.
Исследование может помочь разрешить вопрос, оставшийся без ответа в теории естественного отбора Дарвина: как популяции организмов, живущие бок о бок и скрещивающиеся друг с другом, всё же способны адаптировать уникальные признаки и расходиться в отдельные виды.
«Изначально эволюционные биологи полагали, что для дифференциации популяций в экологические расы или отдельные виды необходима их географическая изоляция, — говорит эволюционный биолог UBC Лорен Ризеберг. — Но недавние исследования показывают, что популяции, существующие бок о бок, могут и действительно дифференцируются».
«Признаки, управляющие такой дифференциацией, часто наследуются вместе как супергены, несмотря на генетический обмен с неадаптированными популяциями поблизости. Во многих случаях растения могут адаптироваться к новой среде, «позаимствовав» один или два супергена у родственного вида, уже приспособленного к ней».
Примеры сред, в которых супергены сыграли важную роль в адаптации видов подсолнечника, включают прибрежную равнину Техаса, песчаные дюны и барьерные острова Мексиканского залива. В последнем случае суперген длиной 30 миллионов пар оснований контролирует разницу во времени цветения более чем в два с половиной месяца между подсолнечниками, адаптированными к барьерным островам и прибрежным равнинам Техаса. Раннецветущая версия супергена, обнаруженная в популяциях барьерных островов, изначально произошла от обыкновенного подсолнечника.
В некоторых случаях вид-донор супергена может быть вымершим. «Мы предполагаем, что могло произойти следующее: вид прибывает в новую среду обитания, «ворует» адаптивные супергены у местного родственного вида, а затем замещает этот вид, — говорит Тодеско. — Мы могли бы назвать это «супергеном-призраком» — сохранившимся вкладом вида, который больше не существует».
Благодаря своему разнообразию и способности адаптироваться даже к неблагоприятным условиям дикие подсолнечники стали модельной системой для эволюционных исследований.
Исследователи секвенировали геномы более 1500 растений трёх диких видов подсолнечника: обыкновенного (Helianthus annuus), прерийного (Helianthus petiolaris) и серебристолистного (Helianthus argophyllus). Затем они изучили связь между генетическими вариантами и более чем 80 признаками, которые отслеживали на протяжении роста растений, а также с почвой и климатом их исходных популяций. Результатом стало самое масштабное и комплексное на сегодня доказательство того, что структурные варианты — перестройки хромосомной структуры, которые в основном и ответственны за создание супергенов, — играют фундаментальную и широко распространённую роль в адаптации и видообразовании.
Помимо супергенов, исследование также выявило множество независимых генов, которые, по-видимому, обеспечивают устойчивость к экологическим стрессам, с которыми сталкиваются дикие подсолнечники, включая засуху, жару и дефицит питательных веществ. Эти независимые гены будут бесценны для селекционеров подсолнечника при создании сортов, способных переносить более экстремальные условия выращивания, прогнозируемые в условиях будущего изменения климата. С сельскохозяйственной точки зрения они предлагают больше гибкости, чем супергены.
«Поскольку они работают как пакет, внедрение супергена в культурный подсолнечник означало бы перенос как полезных, так и вредных связанных с ним признаков, — говорит Тодеско. — Хотя супергены содержат несколько генов, которые могут быть полезны в сельском хозяйстве, они также содержат сотни других генов, некоторые из которых могут быть не столь полезны для культуры. Например, снижая урожайность или изменяя масличность семян».