Эволюционный процесс, который происходит, когда вид колонизирует новую среду, дает возможность изучить механизмы, лежащие в основе генетической адаптации, что является важным знанием для понимания эволюции и поддержания биоразнообразия. Международная группа ученых, возглавляемая исследователями из Университета Уппсалы, Уппсала, Швеция, сообщает, что единственная аминокислотная замена в светочувствительном белке родопсине сыграла решающую роль, когда сельдь адаптировалась к среде с красным смещением света в Балтийском море. Примечательно, что около трети всех рыб, живущих в солоноватой или пресной воде, несут такие же изменения. Исследование опубликовано сегодня в PNAS.
«Атлантическая и балтийская сельдь являются отличными моделями для эволюционных исследований по двум причинам», - объясняет доктор Лейф Андерссон из Университета Уппсалы и Техасского университета A&M, который руководил исследованием. «Во-первых, их огромные размеры популяции позволяют нам изучать эффекты естественного отбора без тревожных стохастических изменений в частоте вариантов генов, которые происходят в небольших популяциях. Во-вторых, колонизация солоноватого Балтийского моря сельдью в течение последних 10 000 лет (после последнего оледенения) дает возможность изучить, что происходит, когда вид адаптируется к новой среде».
Мы исследовали весь геном многих популяций атлантической и балтийской сельди и обнаружили, что изменение одной аминокислоты в белке родопсине, в котором фенилаланин заменен на тирозин, сыграло решающую роль во время адаптации к Балтийское море», - говорит Джейсон Хилл, ученый из Упсальского университета в Уппсале, Швеция, и первый автор статьи. Это имеет большой смысл, поскольку родопсин является светочувствительным рецептором в сетчатке, а спутниковые данные показывают, что световая среда Балтийского моря имеет красное смещение по сравнению с Атлантическим океаном, потому что растворенные органические вещества поглощают синий свет.
"Тщательный генетический анализ наших данных показывает, что эволюционный процесс должен был быть очень быстрым. По нашим оценкам, частота встречаемости варианта гена родопсина, обнаруженного у балтийской сельди, возросла, и он стал наиболее распространенным вариантом всего за несколько сотен лет. ", - говорит ученый Матс Петтерссон из Университета Упсалы.
Аминокислоты фенилаланин и тирозин структурно очень похожи и отличаются только наличием гидроксильной группы (-OH) в тирозине, так может ли это изменение быть настолько важным?
На самом деле, кристаллическая структура родопсина показывает, что остаток 261 расположен вблизи хромофора сетчатки, где происходит поглощение света. Присутствие тирозина в родопсине балтийской сельди делает поглощение света смещенным в красную сторону примерно на 10 нанометров. и, таким образом, может уловить больше фотонов в среде с красным смещением в Балтийском море», - говорит доктор. Патрик Шеерер из Charité - Universitätsmedizin Berlin, Берлин, Германия, и один из соавторов исследования.
Когда ученые проанализировали последовательность родопсина более чем 2000 рыб, они обнаружили, что около трети всех видов, обитающих в солоноватой или пресной воде, несут точно такие же генетические изменения, что и балтийская сельдь, в то время как почти все рыбы, живущие в морской воды имеют вариант гена родопсина с фенилаланином, как у атлантической сельди. «Примечательно, что мы обнаруживаем, что одна и та же мутация происходит независимо и по крайней мере 20 раз у тысяч видов рыб, это действительно поразительный пример конвергентной эволюции на молекулярном уровне», - говорит Эрик Энбоди, соавтор и постдокторант. в Упсальском университете.
«Наша гипотеза состоит в том, что это изменение в родопсине особенно важно на стадии молоди и что вариант балтийской сельди позволяет личинкам рыб лучше использовать световую среду в Балтийском море при поиске пищи или избегании хищников», - объясняет Лейф Андерссон. Эта гипотеза подтверждается их открытием, что и атлантический лосось, и кумжа, которые всегда нерестятся в пресной воде, но могут прожить большую часть своей жизни в морской воде, имеют тирозин 261 в родопсине, как и пресноводная рыба. Напротив, европейский и японский угорь, которые рождаются в морских водах, но большую часть своей взрослой жизни проводят в пресной воде, содержат фенилаланин-261, как и подавляющее большинство морских рыб.