Организмы несут в себе долгосрочную «память» о своих предках, которая помогает им адаптироваться к изменениям окружающей среды, согласно новому исследованию, в котором участвовало выращивание цыплят на Тибетском плато и прилегающей низменности.
Исследование дает новый взгляд на то, как живые существа приспосабливаются к изменяющейся среде, тема, которая особенно актуальна сегодня в контексте быстрого изменения климата, создающего проблемы для растений и животных во всем мире.
Курица была одомашнена от красной джунглевой курицы в Южной и Юго-Восточной Азии по крайней мере 4 000-4 500 лет назад. Он был завезен на Тибетское нагорье около 1200 лет назад, где приобрел высотные приспособления, такие как увеличение числа переносящих кислород эритроцитов..
В ходе серии экспериментов, проведенных биологами из Мичиганского университета и их китайскими коллегами, исследователи вывели и вырастили сотни цыплят на Тибетском плато, на высоте почти 11 000 футов, и на соседней низменности в Китае. провинции Сычуань. Часть яиц равнинных кур вылупилась на плато, а часть яиц высокогорных вылупилась на высоте 2200 футов над уровнем моря.
Цель состояла в том, чтобы оценить относительный вклад двух типов фенотипических изменений, то есть изменений наблюдаемых физических характеристик или черт организма, в процесс адаптации к окружающей среде. «Пластичные» фенотипические изменения связаны с изменением активности генов, но без перезаписи генетического кода в молекулах ДНК, в то время как мутации вызывают изменение активности генов путем изменения последовательности букв в самом коде.
Эволюционные биологи спорят об относительной роли пластических изменений и изменений, вызванных мутациями, в адаптации, а также о том, служат ли первые ступеньками ко вторым.
В исследовании с курицей исследователи особенно интересовались тем, как организмы повторно адаптируются при повторном введении в среду предков. Они обнаружили, что пластические изменения играют более заметную роль, когда организмы возвращаются в дом предков, чем когда они адаптируются к новым условиям.
«Эти результаты раскрывают механизм, с помощью которого прошлый опыт влияет на будущую эволюцию», - сказал Цзянжи Чжан, старший автор исследования и профессор кафедры экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс.
"Наши результаты вносят вклад в недавние дебаты об относительной роли пластических и генетических изменений в адаптации и показывают важность рассмотрения того, меняется ли окружающая среда на новую или наследственную."
Выводы планируется опубликовать 22 мая в журнале Science Advances.
Чтобы изучить относительную роль пластических изменений и изменений последовательности ДНК, исследователи изучили различия в экспрессии генов между равнинными и тибетскими курами в пяти типах тканей: мозге, печени, легких, сердце и мышцах. Для этого они проанализировали транскриптомы РНК из клеток этих тканей.
Геном состоит из ДНК, которая содержит инструкции, необходимые для построения организма. Для выполнения этих инструкций ДНК должна быть прочитана и транскрибирована в молекулы матричной РНК.
Анализируя всю коллекцию последовательностей РНК в клетке, известную как транскриптом, исследователи могут определить, когда и где гены включаются и выключаются. Исследования экспрессии генов дают снимки активно экспрессируемых генов в различных условиях.
Изменения в активности генов изменяют фенотип организма, который включает в себя его морфологию, поведение и физиологию. Термин фенотипическая пластичность относится к вызванным окружающей средой фенотипическим изменениям, которые не связаны с генетическими мутациями.
В исследовании цыплят исследователи обнаружили, что, хотя многие фенотипические изменения, вызванные мутациями, были необходимы, когда животные впервые адаптировались к Тибетскому нагорью, пластические изменения в значительной степени преобразовали транскриптомы в предпочтительное состояние, когда тибетских цыплят вернули в низменность.
Похожий результат был получен с «выводимостью» яиц, долей оплодотворенных куриных яиц, которые вылупились в ходе исследования.
При инкубации низинных яиц на незнакомом Тибетском нагорье выводимость была значительно ниже, чем у тибетских куриных яиц. Но когда тибетские яйца были инкубированы в низменности - среде, знакомой из далекого прошлого - не было существенной разницы в выводимости между двумя группами.
Результат яйца предполагает, что адаптивные мутационные изменения необходимы, когда организм впервые попадает в незнакомую среду, в то время как пластические изменения сделают свое дело, когда те же самые существа вернутся в дом предков.
Команда Чжана также проанализировала транскриптомы из предыдущих исследований гуппи и бактерий E. coli и получила сопоставимые результаты - независимо от того, была ли новая среда более стрессовой или менее стрессовой, чем среда предков.
«Подводя итог, наша работа раскрывает явление, сохранившееся от бактерий до позвоночных: организмы помнят среду своих предков в форме фенотипической пластичности», - пишут авторы.