Badania ujawniają wpływ zmian środowiskowych na zmienność genetyczną w czasie.
W nowym badaniu naukowcy z Arizona State University i ich współpracownicy badali zmiany genetyczne w naturalnie izolowanej populacji Daphnia pulex, gatunek pcheł wodnych. Ten malutki skorupiak, prawie niewidoczny gołym okiem, odgrywa kluczową rolę w ekosystemach słodkowodnych i zapewnia cenny wgląd w dobór naturalny i ewolucję.
Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS)opierają się na dziesięcioletnich badaniach. Zespół badawczy przeprowadził analizę, korzystając z zaawansowanych technik genomicznych DNA próbki od prawie 1000 rozwielitek.
Odkryli, że siła doboru naturalnego na poszczególne geny różni się znacznie z roku na rok, utrzymując zmienność i potencjalnie zwiększając zdolność adaptacji do przyszłych zmieniających się warunków środowiskowych, dostarczając surowca, na którym może działać dobór naturalny.
W pozornie stabilnych środowiskach częstość występowania wariantów genów zwanych allelami w określonych regionach chromosomów ulega znaczącym wahaniom w czasie, nawet jeśli ogólna siła selekcji pozostaje średnio bliska zeru przez wiele lat. Sugeruje to, że taka zmienność genetyczna pozwala populacjom zachować zdolność dostosowywania się do zmian środowiskowych.
„To badanie po raz pierwszy dało nam wgląd w rodzaje czasowych zmian w częstotliwościach genów, które zachodzą nawet w pozornie stałych środowiskach, co stanowi rodzaj ciągłego przepływu zmienności genetycznej rozproszonej w całym genomie” – mówi Michael Lynch, kierownik autor nowego badania.
Lynch jest dyrektorem Centrum Biodesign dla Mechanizmów Ewolucji i profesorem w Szkole Nauk Przyrodniczych na ASU. Dodatkowymi badaczami biorącymi udział w badaniu są koledzy z ASU, Central China Normal University i University of Notre Dame.
Siła selekcji
Rozwielitki, forma zooplanktonu, od wieków fascynują biologów ze względu na ich kluczową rolę w ekosystemach wodnych i zdolność przystosowania się do stresorów środowiskowych. Oprócz swojej wartości dla wielopokoleniowych badań genetycznych, rozwielitki są szeroko stosowanymi organizmami modelowymi w badaniach toksyczności wody słodkiej, ponieważ charakteryzują się szybkim cyklem reprodukcji bezpłciowej i są wrażliwe na różne zanieczyszczenia środowiska.
Te maleńkie stworzenia są ważnym źródłem pożywienia dla ryb i pomagają kontrolować rozwój glonów. Ich zdolność do szybkiego przystosowania się do zmian środowiskowych może dostarczyć wskazówek, jak inne gatunki – w tym te ważne dla zaopatrzenia człowieka w żywność – mogą reagować na zanieczyszczenia, zmiany klimatyczne i inne czynniki stresogenne wywołane przez człowieka.
Wykazano, że w większości zbadanych miejsc genomu Daphnia w okresie badania presja selekcyjna ulegała zmianie. Na ogół naciski te zwykle się równoważą, a ogólny efekt jest niewielki, co oznacza, że żaden pojedynczy kierunek selekcji nie dominuje konsekwentnie w czasie. Zamiast tego genetyczne zalety lub wady określonych cech zmieniają się z jednego okresu na drugi.
Odkrycia te podważają tradycyjne przekonanie, że pomiar różnorodności genetycznej (zakresu różnych cech w populacji) i dywergencji genetycznej (różnic między populacjami) może z łatwością wykazać, w jaki sposób konsekwentnie działa dobór naturalny. Zamiast tego wydaje się, że dobór naturalny działa z większą subtelnością i złożonością, niż wcześniej sądzono.
Nowe podejście do zmienności genetycznej
Badanie otwiera nowe możliwości, określając, kiedy i gdzie w genomie pojawia się presja selekcyjna. Poza cechami, o których wiadomo, że dobór naturalny ma silny wpływ, niewiele jest informacji na temat zmian częstotliwości alleli w czasie w naturalnych populacjach.
Wieloletnia analiza obejmująca cały genom prawie 1000 próbek genetycznych z populacji Daphnia pulex pokazuje, że w większości miejsc genetycznych dochodzi do zróżnicowanej selekcji, ze średnim efektem bliskim zeru, co wskazuje na niewielką stałą presję selekcyjną w różnym czasie i selekcję rozłożoną na wiele genomów. regiony.
Odkrycia te podważają zwykłe rozumienie różnorodności i dywergencji genetycznej jako wskaźników losowego dryfu genetycznego i intensywności selekcji.
Zmienność i przetrwanie
Obserwowane wzorce selekcji w różnych miejscach genów zapewniają mechanizm utrzymania różnorodności genetycznej, która jest niezbędna do szybkiej adaptacji. Badanie ujawniło również, że geny zlokalizowane blisko siebie na chromosomach mają tendencję do ewolucji w sposób skoordynowany. To połączenie umożliwia wspólne dziedziczenie korzystnych kombinacji wariantów genów, co potencjalnie przyspiesza proces adaptacji.
Efekt ten może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób gatunki czasami przystosowują się szybciej, niż normalnie spodziewaliby się naukowcy. Z drugiej strony to samo zjawisko może skutkować przenoszeniem szkodliwych alleli na wyższe częstotliwości przez powiązane korzystne allele, co w niektórych przypadkach zmniejsza ogólną skuteczność selekcji.
Badanie pokazuje, że ewolucja jest bardziej dynamiczna i złożona, niż wcześniej sądzono. Wpływ środowiska na geny często się zmienia, co prawdopodobnie pomaga gatunkom zachować różnorodność genetyczną niezbędną do przystosowania się do przyszłych warunków. To nowe zrozumienie może skłonić naukowców do ponownego przemyślenia sposobu badania ewolucji w naturze.
Chociaż badanie skupiało się na Daphnia pulex, odkrycia mogą mieć wpływ na zrozumienie, w jaki sposób inne gatunki mogą reagować na szybkie zmiany środowiskowe, w tym spowodowane działalnością człowieka, takie jak zanieczyszczenie i zmiany klimatyczne. Ocena stabilności częstotliwości alleli w bardziej stabilnych środowiskach jest ważnym krokiem wstępnym. Badania takie mają kluczowe znaczenie, ponieważ same eksperymenty laboratoryjne nie są w stanie odtworzyć złożoności wpływów środowiskowych oddziałujących na dzikie populacje.
Co więcej, zrozumienie ewolucji rozwielitek może zapewnić wgląd w odporność całych ekosystemów. Wiedza ta może pomóc naukowcom przewidywać i potencjalnie łagodzić wpływ zmian środowiskowych na różnorodność biologiczną i sieci troficzne.
Podczas gdy świat zmaga się z pogłębiającym się kryzysem środowiskowym, badania takie jak to dostarczają kluczowych informacji na temat zdolności przyrody do odporności i adaptacji. Kontynuując badania tych maleńkich stworzeń, naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć podstawowe mechanizmy ewolucji i zastosować zdobyte wnioski w szerszych działaniach ekologicznych i ochronnych.
Odniesienie: „Ogólnogenowa sygnatura krótkoterminowej selekcji czasowej” Michaela Lyncha, Wen Wei, Zhiqiang Ye i Michaela Pfrendera, 3 lipca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2307107121
