Новая методика позволяет экономично анализировать генетический материал из останков ископаемых растений и животных. Исследователи из Швейцарского федерального института исследований леса, снега и ландшафта WSL и университетов Лозанны и Берна использовали этот метод для изучения ДНК иголок пихты, найденной в отложениях озера в Тичино. Они нашли ключ к пониманию того, как леса отреагировали на появление сельского хозяйства.
Новый процесс использует последние достижения в технологии ДНК для выделения древней ДНК (аДНК) из доисторических растений и животных. Однако методы, используемые в настоящее время, являются дорогостоящими. «Поскольку популяционным генетикам часто требуется несколько десятков образцов, чтобы сделать достоверные выводы, многие исследовательские идеи в настоящее время финансово нежизнеспособны», - говорит Надир Альварес, профессор кафедры экологии и эволюции Лозаннского университета..
Исследовательская группа во главе с Альваресом и его коллегами Кристофом Сперисеном (популяционным генетиком из WSL), Вилли Тиннером (профессором палеоэкологии Бернского университета) и Сарой Шмид (биологом из Лозаннского университета) в настоящее время разработала экономически эффективную альтернативу и продемонстрировала свой потенциал с помощью ископаемых иголок пихты, найденных в озере Орильо в Тичино. Команда представила результаты в исследовательском журнале Methods in Ecology and Evolution.
Иголка в стоге сена
Работа с субфоссильным генетическим материалом - непростая задача. «АДНК часто фрагментирована, химически повреждена и загрязнена генетическим материалом бактерий и грибков», - объясняет Сперисен.«Например, в образцах, собранных в отложениях озера, только каждая сотая молекула ДНК происходит от пихты». Таким образом, извлечение аДНК похоже на поиск иголки в стоге сена.
До сих пор исследователи извлекали аДНК, вводя химически изготовленные аналоги последовательностей ДНК в раствор образца, поскольку ДНК состоит из двух нитей с практически зеркальными последовательностями строительных блоков, прикрепленных друг к другу. Крошечные металлические шарики прикреплены к изготовленной ДНК. Как только искусственная ДНК связана с аДНК, вся структура может быть извлечена с помощью магнита.
Однако более 90% ДНК растений и животных состоит из участков с неизвестной функцией, как поваренная книга с в основном пустыми страницами. Новый метод, hyRAD-X, не анализирует всю цепь ДНК, а использует конкретно экспрессируемую часть генома (то есть те участки, которые содержат инструкции по созданию белка). Кроме того, эти срезы создаются с использованием фермента - инновации, которая в десять раз снижает стоимость анализа ДНК. Поскольку каждая пылинка содержит чужеродную ДНК, эта работа должна проводиться в чистой комнате, такой как в новой национальной лаборатории защиты растений WSL.
Леса каменного века на озере Орильо
Исследователи использовали новую технику для изучения генетического разнообразия елей до и во время появления сельского хозяйства на озере Орильо. Палеоботаник Тиннер изучил сердцевину озерных отложений и обнаружил отложения древесного угля, а также пыльцу злаков и инвазивные сорняки, указывая на первые сельскохозяйственные работы между 7 500 и 5 000 лет назад, когда люди сжигали леса, чтобы расчистить место для сельскохозяйственных угодий и пастбищ.. Это уничтожило все теплолюбивые насаждения пихты Тичино во второй половине голоцена; На их месте теперь растут каштаны.
Результаты показывают, что насаждения пихты (и, следовательно, ее генетическое разнообразие) сократились с появлением сельского хозяйства и восстановились около 6 200 лет назад. «Сравнения ДНК пихт серебристых разного возраста показывают, что местный древостой генетически регенерировался заново без вовлечения пихт серебристых из других регионов», - говорит Сперисен.
Генетическое разнообразие является ключом к определению способности населения справляться с изменениями окружающей среды. Например, высокое генетическое разнообразие увеличивает шансы на адаптацию к более сухому климату. Понимание того, как экосистемы, ранее генетически восстановленные в результате вмешательства человека, показывает, как они могут реагировать на глобальное изменение климата и текущие изменения в способах использования земли. Таким образом, исследователи теперь хотят использовать метод hyRAD-X на других образцах субископаемых растений, чтобы выяснить, например, имеют ли вымершие теплолюбивые пихтовые насаждения в Тичино особые генетические свойства, которые могут оказаться важными в более теплом климате.
В 2015 году WSL открыл чистую комнату, где исследователи работают под избыточным давлением, что предотвращает попадание в лабораторию пыльцы, пыли или любых других примесей. Популяционные генетики используют субископаемый материал растений и животных для анализа ДНК и, таким образом, получают представление о прошлых экосистемах. Чистая комната находится в национальной лаборатории защиты растений, которая была построена WSL совместно с Федеральным управлением охраны окружающей среды Швейцарии FOEN и Федеральным управлением сельского хозяйства FOAG.
Субфоссилия=любой доисторический организм, который не окаменел или только частично. В отличие от окаменелостей, субфоссилии можно датировать с помощью метода C14.