Международная группа исследователей из Мюнстера, Йены (обе Германия), Цюриха (Швейцария) и Кералы (Индия) недавно изучила геномику гигантской ряски. Они обнаружили, что генетическое разнообразие, я.е. общее количество генетических характеристик, которые различаются у разных людей, очень низкое.
«Это примечательно, 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 ведущий автор исследования.
Чтобы понять причину этой загадки, группа исследователей растений во главе с доктором. Мерет Хубер из Института химической экологии Макса Планка в Йене и Университета Мюнстера измерила скорость мутации этой ряски в условиях окружающей среды, i.е. сколько мутаций накапливается за поколение. Результат: низкое генетическое разнообразие у этого растения сопровождалось чрезвычайно низкой частотой мутаций. «В нашем исследовании подчеркивается, что точные оценки частоты мутаций важны для объяснения закономерностей генетического разнообразия между видами», – говорит Мерет Хубер.
Результаты актуальны не только для будущих исследований эволюции растений, в том числе многих сельскохозяйственных культур, которые имеют аналогичные репродуктивные стратегии, такие как ряска, они также ускорят использование ряски как для фундаментальных исследований, так и для промышленного применения. Исследование 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 большими популяциями снижает скорость мутаций до минимально возможного уровня. Согласно этой гипотезе, вид с очень большим размером популяции может при определенных условиях эволюционировать 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.е. организмы, 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, разбросанных по всему миру, и прочитали последовательности ДНК всех их геномов.
Они обнаружили, что в соответствии с их географическим происхождением образцы делятся на четыре генетических кластера: Америка, Европа, Индия и Юго-Восточная Азия. Основываясь на информации о последовательности генома, они обнаружили, что генетическое разнообразие этого вида является одним из самых низких значений, зарегистрированных у 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 мутаций, они проводили эксперименты на открытом воздухе. Результат: путем секвенирования геномов они обнаружили, что частота мутаций у гигантской ряски была самой низкой из когда-либо определяемых для многоклеточных эукариот.
Расчетная эффективная численность популяции, как и ожидалось, довольно велика.
Исследователи подозревают, что огромный размер популяции гигантской ряски и, следовательно, большие возможности отбора в ходе эволюции привели к сокращению количества мутаций до минимума.
Это, в свою очередь, может объяснить низкое генетическое разнообразие. «Наше исследование позволяет по-новому взглянуть на то, почему и как генетическое разнообразие различается 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.