Генетическая перестройка могла привести к эволюционному взрыву в формах, размерах и приспособлениях цихлид, что является ответом Восточной Африки галапагосским вьюркам Дарвина.
Опубликовано в журнале BMC Genome Biology, исследовании Института Эрлхема (EI), проведенном совместно с Университетом Восточной Англии (UEA) и Институтом открытий Висконсина, показано, что «генетическая перестройка» в некодирующих областях, а не мутации в участках генов, кодирующих белок, могут играть важную роль в том, как цихлиды способны быстро адаптироваться, чтобы заполнить ошеломляюще широкий спектр экологических ниш в восточноафриканских рифтовых озерах.
Результаты могут помочь будущим исследованиям улучшить разведение экономически важных видов цихлид, таких как тиляпия - основной продукт аквакультуры.
Знаменитые зяблики Дарвина являются одним из самых известных примеров эволюции путем естественного отбора и, в частности, адаптивной радиации. У птиц, которых он наблюдал на Галапагосском архипелаге, были разные клювы, которые можно было подобрать в соответствии с их особыми привычками питания - ели ли они большие или маленькие семена, насекомые или даже использовали инструменты для поиска пищи.
Удивительно, но за 2-3 миллиона лет на Галапагосских островах эволюционировало 14 видов вьюрков, а только в озере Малави эволюционировало около 1000 видов цихлид.
В Великих озерах Восточной Африки и за последние несколько миллионов лет несколько предковых линий цихлид независимо распространились и дали начало более чем 2000 видов - и мы все еще находим новые одни из них», - говорит первый автор доктор Таранг Мехта, ученый с докторской степенью в Haerty Group EI.
"Они занимают действительно большое разнообразие пресноводных экологических ниш в озерах, реках и даже болотах: это включает песчаные субстраты, ил, скалы и дно с растительностью. В результате все они приспособлены к различным диетическим привычкам и ниши в этих областях."
Изучая экспрессию генов в различных тканях цихлид у пяти репрезентативных видов из рек Восточной Африки и Великих Рифтовых озер, команда обнаружила эволюционную перестройку нескольких важных генов, связанных с приспособляемостью, наблюдаемой у цихлид. Эффект, который был особенно заметен в видении видов рыб.
«Мы обнаружили, что самые перепрограммированные гены связаны со зрительной системой», - объясняет доктор Мехта. «По сути, если вы посмотрите на разные виды рыб, которых мы использовали в исследовании, вы увидите серьезные различия в сети регуляции вокруг генов опсинов, которые они используют для зрения, в зависимости от того, где они живут и что едят.
Например, обитающий в скалах озера Малави вид, M. zebra, питается водорослями фитопланктона, поглощающими УФ-излучение. Это обычно требует повышенной экспрессии определенного опсина, SWS1, который помогает с чувствительностью к УФ-свету. вполне может объяснить, почему он имеет более сложную регуляторную сеть вокруг SWS1 по сравнению с бентофагом озера Танганьика, N. brichardi, который не имеет той же диеты или среды обитания».
Вооружившись некоторыми интересующими генами, команда подтвердила механизмы, лежащие в основе этих регуляторных различий генов, в лаборатории. Глядя на мелкую шкалу, они выявили небольшие изменения в последовательности ДНК регуляторных областей в начале генов, важных для различий между видами, включая зрительную систему..
Вместо того, чтобы модифицировать сам ген, это были области ДНК, известные как сайты связывания, на которые нацелены факторы транскрипции - белки, которые определяют, включен или выключен ген. Таким образом, можно сказать, что зрительная система различных видов рыб «перенастроена» для выполнения различных функций.
Двигаясь дальше, команда смогла показать, что эти изменения могут быть обычно связаны со всеми цихлидами в озере Малави, с диетой и зависящей от экологии перенастройкой, показывающей, что изменения в связывании фактора транскрипции могут быть ключом к тонкой настройке. зрительная чувствительность.
В зависимости от признака цихлиды, по-видимому, используют множество генетических механизмов для создания фенотипической новизны, однако «переделка» регуляторных систем, по-видимому, более распространена у цихлид, чем было обнаружено ранее. Эта эволюционная пластичность вполне может объяснить бурный рост видов на такой небольшой территории за относительно короткое время.
«Это доказательство концепции, - говорит доктор Мехта. «По мере поступления дополнительных данных мы сможем подробно изучить это в репрезентативных кладах каждого из различных излучений, не только в озере Малави, но также в озере Танганьика, озере Виктория и даже в некоторых цихлидах в Южной Америке.."
Профессор Федерика Ди Пальма, научный сотрудник кафедры биоразнообразия в UEA, сказала: «Мы выпустили внушительный объем данных об экспрессии, которые в дальнейшем помогут исследованиям адаптивной радиации цихлид в будущем. Сейчас мы расшифровываем сложность этих цис-регуляторных регионов с помощью полногеномных скринингов CRISPR.
"Более широкое влияние нашего подхода к регуляторной генной сети также поможет информировать об эволюции важных для сельского хозяйства признаков тиляпии, таких как скорость роста и устойчивость к различным местным водным условиям, а также для общей аквакультуры и рыболовства."