Ряски - для многих водных животных, таких как утки и улитки, лакомство, но для владельцев прудов иногда заноза в боку. Крошечные и быстрорастущие растения представляют большой интерес для исследователей, и не в последнюю очередь из-за их промышленного применения - например, для очистки сточных вод или выработки энергии.
Международная исследовательская группа из Мюнстера, Йены (оба Германии), Цюриха (Швейцария) и Кералы (Индия) недавно изучила геномику гигантской ряски. Они обнаружили, что генетическое разнообразие, т. е. общее количество генетических характеристик, которые различаются у разных людей, очень невелико.
«Это замечательно, учитывая, что размер их популяции очень велик - например, в одном пруду могут быть миллионы особей», - говорит Шуцин Сюй, профессор эволюционной экологии растений в Университете Мюнстера и руководитель автор исследования.
Чтобы понять причину этой загадки, группа исследователей растений во главе с доктором Мерет Хубер из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене и Университета Мюнстера измерила скорость мутации этой ряски в уличных условиях. т. е. сколько мутаций накапливается за поколение. Результат: низкое генетическое разнообразие у этого растения сопровождалось чрезвычайно низкой частотой мутаций. «Наше исследование подчеркивает, что точные оценки частоты мутаций важны для объяснения закономерностей генетического разнообразия среди видов», - говорит Мерет Хубер. Результаты не только актуальны для будущих исследований эволюции растений, в том числе многих сельскохозяйственных культур, которые имеют схожие репродуктивные стратегии, такие как ряски, они также ускорят использование ряски как для фундаментальных исследований, так и для промышленных применений. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Фон
Хотя мутации являются сырьем для эволюционных изменений, они часто сопровождаются нарушениями приспособленности. Исследователи-эволюционисты выдвинули гипотезу, что естественный отбор у видов с большой популяцией сводит скорость мутаций к минимуму. Согласно этой гипотезе, вид с очень большой численностью популяции может при определенных условиях развиваться с чрезвычайно низкой частотой мутаций, что, в свою очередь, может привести к очень низкому генетическому разнообразию. Однако до сих пор ученым не удавалось показать эту связь у эукариот, т. е. организмов, клетки которых имеют ядро. Одна из причин этого заключается в том, что частоту мутаций трудно измерить экспериментально.
Исследователи взяли образцы гигантской ряски (Spirodela polyrhiza) из 68 водоемов, распространенных по всему миру, и прочитали последовательности ДНК всех их геномов. Они обнаружили, что в соответствии с их географическим происхождением образцы попадают в четыре генетических кластера: Америка, Европа, Индия и Юго-Восточная Азия. Основываясь на информации о последовательности генома, они обнаружили, что генетическое разнообразие видов является одним из самых низких значений, зарегистрированных для многоклеточных эукариот.
Поскольку генетическое разнообразие определяется частотой мутаций и эффективным размером популяции, ученые затем экспериментально оценили частоту мутаций и рассчитали эффективный размер популяции. Поскольку внешние условия могут влиять на скорость мутации, эксперименты проводились на открытом воздухе. Результат: путем секвенирования геномов они обнаружили, что частота мутаций у гигантской ряски была самой низкой из когда-либо установленных для многоклеточных эукариот. Предполагаемый эффективный размер популяции, как и ожидалось, довольно велик.
Исследователи подозревают, что огромный размер популяции гигантской ряски, а значит, и большие возможности отбора в ходе эволюции привели к сведению мутаций к минимуму. Это, в свою очередь, может объяснить низкое генетическое разнообразие. «Наше исследование дает новое представление о том, почему и как различается генетическое разнообразие у разных видов», - говорит Шуцин Сюй.
Вместе со своими сотрудниками ученые в настоящее время работают над анализом геномов еще большего количества образцов ряски и планируют провести эксперименты по селекции на открытом воздухе. Они хотят выяснить, какие другие факторы могли сыграть роль в формировании эволюции этого растения.