Березовые леса повислой простираются по всей Европе, и на них приятно смотреть: стройные деревья с белой корой укрывают обширные участки земли.
Но ценность этих лесов не ограничивается их красотой: они являются экономическим активом, производя сырье для изготовления бумаги, строительства, производства мебели и многого другого.
Новое исследование проливает свет на эволюционную историю березы, дерева, которое мало изучено учеными, несмотря на его коммерческую ценность.
"Береза является одним из основных деревьев для получения лесной продукции в Северном полушарии. У других деревьев, таких как ель, сосна и тополь, есть последовательности генома, но у березы их не было до сих пор", - говорит биолог из Университета Буффало Виктор. Альбертом, который вместе с Яакко Кангасъярви, Юка Хелариутта, Петри Аувинен и Яркко Салоярви из Хельсинкского университета в Финляндии руководил проектом, финансируемым Финляндией. Хелариутта также является профессором Кембриджского университета.
«Мы секвенировали около 80 особей одного вида Betula pendula, березы повислой», - говорит Кангасъярви. «Мы отобрали популяции этого вида по всему его ареалу, то есть вверх и вниз по Финляндии, вниз в Германию, в Норвегию и Ирландию и вплоть до Сибири». Проанализировав 80 секвенированных геномов, команда смогла выявить генетические мутации, которые могут представлять интерес для промышленности, в том числе мутации, которые могут повлиять на то, насколько хорошо растут березы и реагируют ли они на свет на разных широтах и долготах и в разных условиях окружающей среды.
Исследование может стать отправной точкой для селекции деревьев, которые лучше отвечают потребностям различных отраслей. «Что делает березу устойчивой к различным условиям? Дерево в Финляндии может погибнуть, если вы посадите его в Сибири, потому что у растений есть местные приспособления - специфические генетические мутации, - которые помогают им выживать там, где их находят», - говорит Хелариутта. «Понимание этих естественных приспособлений может облегчить генную инженерию и искусственный отбор. Вот почему наше исследование может быть очень полезным для лесной биотехнологии».
Исследование будет опубликовано 8 мая в журнале Nature Genetics.
Управление генами для лучшего роста
В ходе исследования исследователи определили представляющие интерес генетические мутации, отыскивая отличительные участки ДНК в геномах отдельных берез.
Как и люди, растения наследуют две копии каждого гена - по одной от каждого родителя - и эти две копии немного отличаются друг от друга. Однако в некоторых местах организм может иметь длинные полосы идентичной ДНК в обеих копиях гена. Такие участки ДНК указывают на генетические регионы, которые имеют решающее значение для выживания и развития вида, поскольку эти регионы являются продуктом «выборочного сканирования», когда все или большинство организмов в географическом местоположении зависят от определенного генетического признака.
Когда ученые проанализировали геномы 80 берез со всей Европы, они обнаружили богатый набор выборочных изменений в генах, которые влияют на важные качества, такие как рост деревьев и производство древесины.
Более того, команда обнаружила, что некоторые выборочные зачистки связаны с различными условиями окружающей среды. Два гена, которые помогают контролировать реакцию берез на свет, - PHYC и FRS10 - имели заметные генетические мутации, коррелирующие с широтой, долготой и температурой, в то время как мутации в PHYC также были связаны с тенденциями осадков. Аналогичные ассоциации были также выявлены для двух генов, связанных с производством древесины, - KAK и MED5A.(Мутации в этих генах коррелировали с широтой, долготой и температурой.)
«Выявленные нами выборочные зачистки могут быть основой для местной адаптации для различных популяций березы», - говорит Салоярви. «Деревья в Сибири находятся под иным селективным давлением, чем деревья в Финляндии, поэтому гены в этих двух местах по-разному настраиваются, чтобы позволить этим растениям лучше приспособиться к окружающей среде».
«Исследования указывают на генетические мутации, которые могут представлять интерес для генетических манипуляций с лесными продуктами», - говорит Аувинен.