Десятилетние ракообразные, выловленные из озерного ила, раскрывают генетические секреты, раскрывая эволюцию в действии

Действия человека меняют окружающую среду с беспрецедентной скоростью. Популяции растений и животных должны стараться не отставать от этих ускоряемых человеком изменений, часто пытаясь быстро выработать толерантность к меняющимся условиям.

Исследователи из Университета Оклахомы Лоуренс Вейдер, профессор биологии, и Мэтью Версебе, кандидат биологических наук, продемонстрировали быструю эволюцию в действии, секвенировав геномы популяции Daphnia pulicaria, водного ракообразного, из загрязненного озера.

Исследование, проведенное в рамках докторской диссертации Версебе, недавно было опубликовано в Труды Национальной академии наук. Версебе и Вейдер оживили яйца дафний десятилетней давности, покоящиеся в озерных отложениях, методом, известным как экология воскрешения, который был усовершенствован в лаборатории Вейдера за последние несколько десятилетий. Затем они секвенировали полные геномы 54 разных особей дафний в разные моменты времени, что позволило им изучить генетику и эволюцию популяции.

Дафнии были собраны в озере Таннерс, расположенном в Окдейле, штат Миннесота. Озеро Таннерс сильно загрязнено солью из-за широкого использования солей для борьбы с обледенением дорог в его водоразделе.

Дафнии, также известные как водяные блохи, играют важную роль в мониторинге окружающей среды. Например, они служили важными тест-организмами в лабораториях по всему миру более века из-за их чувствительности ко многим факторам стресса окружающей среды, таким как химические вещества. В природе дафнии играют ключевую роль в пресноводных пищевых сетях во всем мире, где они питаются водорослями, чтобы поддерживать чистоту воды в озерах и водохранилищах, а также служат пищей для рекреационных и коммерчески важных видов рыб.

Результаты Версебе и Вейдера показывают, что быстрая адаптация к солевому загрязнению может позволить озерной дафнии выстоять перед лицом антропогенного засоления, поддерживая пищевые сети и экосистемные услуги, которые поддерживает дафния. Однако способность этих популяций к адаптации будет зависеть от скорости, с которой происходят эти изменения, и лежащего в их основе генетического состава затронутых популяций.

За последние несколько лет многие исследователи опубликовали результаты, определяющие степень и масштабы засоления озер, а недавние исследования выявили экологические последствия. Однако на сегодняшний день эволюционные последствия недостаточно известны. В своем исследовании Версебе и Вейдер сообщили о признаках естественного отбора по всему геному рядом с генами, связанными с осморегуляцией и регуляцией ионов, ключевыми процессами для борьбы с высоким содержанием соли. Характеристика клонов по устойчивости к засолению выявила доказательства того, что генетические изменения могут лежать в основе быстрой эволюции.

«Подобная работа — это первый шаг в разработке будущих исследований, включающих последние технологические достижения, такие как редактирование генов CRISPR, позволяющее создавать комплексные карты генотип-фенотип и предсказывать роль, которую генетическая изменчивость играет в создании разнообразных форм и функций». — сказал Версебе. «На самом деле, мы нашли многообещающий ген, который, по-видимому, не работает должным образом у старых дафний, но функциональная копия этого гена увеличивается по частоте — настоящая эволюция в действии».

Будущие исследования с использованием этих передовых технологий для вырезания и вставки нефункционального гена в Daphnia будут одним из способов лучше изучить влияние мутаций на сложные фенотипические признаки, такие как устойчивость к засолению.