Ученые из Бирмингемского университета раскрыли генетические механизмы, лежащие в основе способности крошечных водяных блох адаптироваться к повышенному уровню загрязнения озер фосфором.
Сопоставляя сети генов с физиологическими реакциями древних и современных водяных блох (Daphnia), исследователи из Университетской школы биологических наук смогли показать, что кластер из более чем 800 генов, многие из которых задействованы в метаболических процессах эволюционировали, чтобы стать «пластичными» или гибкими.
Это позволяет современной дафнии регулировать экспрессию генов в зависимости от количества фосфора, присутствующего в окружающей среде. Это особенно увлекательно, поскольку их 700-летние предки были неспособны на такую пластичную реакцию.
Понимание адаптивных способностей поможет ученым лучше предсказать способность этих существ помочь нам смягчить угрозу, исходящую от загрязнения фосфором.
Поразительно, но команда смогла сделать эти открытия, только сравнив реакции современных дафний с их 700-летними предками. И современные, и древние изученные образцы взяты из одного и того же озера в Миннесоте, где эвтрофикация - процесс, вызывающий разрушительное цветение водорослей с высоким содержанием фосфора, - впервые началась в начале 20-го века..
Современное промышленно развитое сельское хозяйство с его широким использованием фосфорсодержащих удобрений увеличивает нагрузку на дикую природу. Фосфор в конечном итоге попадает в наши пресноводные системы, что приводит к эвтрофикации. Дафния может помочь уменьшить эти цветения, но должна справляться с повышенным уровнем фосфора, который может вызвать проблемы со здоровьем.
Д-р Дагмар Фриш, д-р Дёрт Беккер и д-р Марчин Воеводзич, все трое лауреатов стипендий ЕС им. Марии Склодовской-Кюри, объединили свой опыт для разработки новых концепций в эволюционной экологии, которые позволили провести этот анализ.
«Мы использовали существующие данные и самые современные аналитические методы, чтобы связать модели экспрессии генов с физиологическими реакциями, которые позволяют этим животным справляться с повышенным содержанием фосфора в окружающей среде», - говорит доктор Дагмар Фриш, эксперт в области окружающей среды. палеогеномика. «Это позволило нам определить, какая часть генной сети отвечала за недавно возникший ответ».
Хотя эта работа помогает нам лучше понять, как животные адаптируются к новым условиям в целом, д-р Дёрте Беккер, которая сейчас работает в Университете Шеффилда, отмечает: «Поскольку дафния является центральным видом в водных экосистемах, наша исследование в конечном итоге улучшает наше понимание того, как водные экосистемы могут смягчить некоторые последствия эвтрофикации, одной из основных глобальных угроз для пресноводной среды."
Возрождением яиц, лежащих в спящем состоянии в отложениях озер, методом, называемым экологией воскрешения, авторы смогли по-новому сравнить реакцию генов многовековых возрожденных водяных блох с современными потомками.
"Мы использовали методы сетевого анализа, чтобы выяснить, какие гены "общаются" с другими или образуют кластеры (называемые модулями), и как эта связь генов изменилась у ключевых видов за последние 700 лет. Кроме того, мы смогли связать эти модули с конкретными наблюдаемыми признаками, что было впервые достигнуто в экологии воскрешения», - говорит доктор Марцин Воеводзич, ныне научный сотрудник Реестра рака Норвегии.
«Наше исследование подчеркивает, что эволюция является результатом тонкой молекулярной настройки, которая происходит на разных уровнях, начиная от базовых клеточных реакций и заканчивая сложными физиологическими чертами», - говорит доктор Беккер.
Д-р Фриш добавляет: «Наш подход позволяет получить более целостное представление о том, как животные могут и реагируют на изменение окружающей среды, и тем самым улучшить наше понимание организмов как интегрированных единиц биологической организации».
«После применения недавно разработанного сетевого анализа логическим следующим шагом будет изучение роли других молекулярных механизмов, включая эпигенетику, в эволюционных процессах. Мы уже начали это исследование», - говорит доктор Воеводзич.
Эта работа, опубликованная сегодня в Molecular Biology and Evolution, была частично профинансирована Программой Марии Склодовской Кюри Европейского Союза, Норвежским исследовательским советом, Немецким исследовательским фондом и Национальным научным фондом США.