Многие дикорастущие и культурные растения возникают в результате соединения двух разных видов. Геном этих так называемых полиплоидных видов часто состоит из четверного набора хромосом - двойного набора для каждого родительского вида - и, таким образом, содержит примерно в два раза больше генов, чем исходный вид. Около 50 лет назад биологи-эволюционисты предположили, что этот процесс является движущей силой эволюции, ведущей к появлению новых видов. Однако из-за размера и сложности таких геномов доказать эту теорию на генетическом уровне было сложно.
Эволюционная биологическая теория, подтвержденная экспериментом
Международная группа исследователей под руководством Тимоти Паапе и Кентаро Симидзу из Департамента эволюционной биологии и экологических исследований Цюрихского университета (UZH) смогла предоставить экспериментальное подтверждение этой теории. Для этого ученые из Швейцарии и Японии использовали растения вида Arabidopsis kamchatica, входящего в род кресс-салат. Они секвенировали геном 25 разных особей полиплоидного вида из разных регионов мира, а также 18 разных особей его родительских видов, чтобы изучить их естественное генетическое разнообразие.
Геномы секвенированы благодаря новейшим технологиям
Arabidopsis kamchatica возник в результате естественной гибридизации двух родительских видов A. Halleri и A. lyrata между 65 000 и 145 000 лет назад. Его геном с 450 миллионами пар оснований несколько мал для полиплоидного растения, но все же очень сложен. Используя самые современные методы и технологии секвенирования, а также инструменты биоинформатики, исследователи смогли определить генетическую последовательность особей растений.
Выгодные генетические мутации в дополнение к запасным копиям
Благодаря большому количеству генетической информации A. kamchatica лучше приспособлена для адаптации к новым условиям окружающей среды. «С этими результатами мы продемонстрировали на молекулярно-генетическом уровне, что дупликации генома могут положительно влиять на приспособляемость организмов», - говорит ученый-растениевод Тимоти Паапе. Множественные копии генов позволяют растению принимать выгодные мутации, сохраняя при этом исходную копию важных генов.
Удивительно широкий разброс
Полезность двойного генома для A. kamchatica можно увидеть в его более широком распространении - как на малых, так и на больших высотах - по сравнению с его родительскими растениями. Его среда обитания простирается от Тайваня, Японии и Дальнего Востока России до Аляски и тихоокеанского северо-западного региона США. «Знание геномного и эволюционного контекста также помогает нам понять, как генетическое разнообразие позволяет растениям адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды», - говорит Кентаро Симидзу. Недавно опубликованное исследование было поддержано Университетской программой приоритетных исследований «Эволюция в действии: от геномов к экосистемам» Цюрихского университета.