Сосны и ели приспособились к холоду за счет сходных генов

Сизая ель (Picea glauca) и сосна скрученная (Pinus contorta) — главные герои нового исследования. Хотя эти виды разошлись 140 млн лет назад, их адаптации к холодным местообитаниям сопровождались изменениями в родственных генах. Фото с сайтов pfaf.org и nzpcn.org.nz

Международная команда ученых провела масштабное исследование геномов двух видов сосны и ели, чтобы выявить генетические пути видовых адаптаций. Из образцов, собранных в 250 популяциях, представляющих полные видовые ареалы, получены расшифровки 23 тысяч генов, зарегистрированы характерные фенотипические признаки и природные параметры. В этом генетическом массиве выявлен один миллион однонуклеотидных замен. Разносторонний статистический анализ этих данных показал, что в обоих видах шла направленная адаптация к холодным условиям. Среди генов, вовлеченных в процесс адаптации, около полусотни оказались ортологичными, то есть родственными. Это означает, что даже в таких давно разошедшихся видах, а сосны и ели разошлись 140 млн лет назад, сходные адаптации могут быть обусловлены сходными генами. Значит, конвергенция в фенотипических признаках сопровождалась конвергентными изменениями в генах. Эта ситуация прежде виделась возможной для признаков, определяемых одним-двумя генами, а случаи очень сложных признаков, которые обслуживаются тысячами разных генов, еще практически не изучены. Представленный пример в этом смысле очень показателен.

Конвергентная эволюция — выработка сходных признаков для выполнения сходных функций у неродственных далеких видов. Это означает, что одни и те же признаки виды получают разными путями, и единообразие формы и/или физиологии не означает видового родства. В связи с возможностью конвергентного появления внешних (фенотипических) признаков признается ненадежной морфологическая систематика и филогенетические деревья, на ней основанные. Действительно, если задача систематики — выстроить дерево родственных связей, то конвергентная морфология может дать ложный сигнал о родстве. То ли дело — генетические признаки. Их так много, что вероятность выработки сходных изменений в генах конвергентным образом очень мала. Поэтому в последние десятилетия морфологическую систематику во многом заместила филогенетика, выстраивающая деревья на основе сходства и различия в различных генетических наборах.

Однако и с генами, которые изменяются независимо друг от друга, не все понятно. Бывают случаи конвергентной эволюции генов, когда у неродственных видов появляются признаки, определяемые сходными генами и зачастую сходными мутациями в этих генах. Так бывает, когда признак определяется одним или несколькими единичными генами, так что вариантов для выработки адаптаций не так уж много (см. Конвергентная морфология как следствие конвергенции генов, «Элементы», 15.10.2013). Вероятность для эволюции нащупать сходный путь оказывается весьма высокой. Но что если признак комплексный, определяется тысячами белковых и регуляторных генов? Наверняка у эволюции найдется множество путей для выработки адаптаций. В этом случае крайне маловероятно, что в адаптацию будут вовлечены родственные (ортологичные) гены, и ожидать в них конвергентного сходства в принципе безосновательно.

Логика логикой, а природа всегда дает свои ответы. Масштабное международное исследование, проведенное группой из университетов Канады, Австралии и США, было посвящено генетической базе адаптаций популяций сосны Pinus contorta и ели Picea glauca по мере продвижения этих двух видов хвойных к северу. Эти изначально теплолюбивые тропические виды в ходе эволюции расширили свой ареал, расселившись по всей бореальной зоне. Ученые планировали выяснить генетические пути адаптаций к локальным условиям и сравнить их у двух видов. При этом исследовались не отдельные признаки, а все содержательные характеристики и фенотипов, и среды, и не отдельные целевые гены, а все гены, для которых ранее были выявлены вариации в уровне экспрессии в зависимости от географии. Таких генов известно 23 000. Задача, действительно, масштабная.

Сначала собрали материал — огромный! Из 250 популяций ели и сосны, обследованных по всему ареалу, собрали шишки, записав, естественно какая шишка откуда и описав окружающие условия произрастания рядом характеристик (около 20 параметров). Далее в лаборатории высадили семена из собранных шишек и вырастили молодые растеньица. Каждый росток охарактеризовали по 17 морфологическим и физиологическим параметрам, создав, таким образом, нормализованный фенотипический портрет географических популяций двух видов. Но это далеко не все. Для исходных шишек оценили число однонуклеотидных замен (SNP) в 23 000 генах: сколько в каждом из этих генов в среднем SNP. Иными словами, для двух видов создали генотипический портрет географических популяций. Так что можно вообразить себе этот колоссальный подготовительный этап работы — объехать ареалы двух видов, собрать и зафиксировать материал, в лаборатории генотипировать по нескольку растений из каждой из 250 популяций, высадить по несколько семян из каждой популяции в ростовых камерах и, получив тысячи опытных растений, охарактеризовать каждое условленным образом.

И когда все это было проделано, можно было приступать к получению интересных результатов. В общей сложности было выявлено около одного миллиона SNP, то есть в среднем 40–50 однонуклеотидных замен на каждый из 23 000 генов. Далее среди этих генов выделили такие, в которых число SNP было скоррелировано с изменениями фенотипических или средовых параметров. Считалось, что увеличенная корреляция сигнализирует об адаптивной роли такого гена. Например, у ели число SNP обратно пропорционально величине снежного покрова и влажности: для сухих местностей в генах повышается число SNP. У сосны число SNP возрастает по мере продвижения на восток, то есть с изменением долготы местности. Нашлись и такие признаки, как фенотипические, так и средовые, которые обнаружили повышение подобных корреляций и у сосны, и у ели. Так, повышение холодостойкости к зимним и осенним температурам соответствовало увеличению числа SNP у обоих видов деревьев (то есть наиболее холодостойкие сеянцы и ели, и сосны происходили из популяций, где выявились гены с множественными SNP). С другой стороны, и сосны, и ели в северных частях ареалов с минимальными температурными показателями имеют наибольшее число генов с мутациями. Значит, при расширении ареала к северу устойчивость к холоду была основным фактором, требующим направленных адаптаций у обоих видов.

Распределение SNP по фенотипическим (слева) и средовым (справа) признакам: координаты каждой точки показывают число генов, скоррелированных с соответствующим признаком (по оси абсцисс — у сосны, по оси ординат — у ели). На левом графике подписаны точки, обозначающие холодостойкость (cold injury) в разные сезоны (весной, осенью и зимой). На правом графике подписаны следующие признаки: PAS — высота снежного покрова, TD — разница между летними и зимними температурами, MAP — средний годовой уровень осадков, MCMT — средняя температура самого холодного месяца, LAT — географическая широта, EMT — годовой минимум температуры, DD_0 — число холодных дней, умноженное на соответствующую температуру, ELEVATION — высота над уровнем моря, AHM — индекс влажности, MAT — среднегодовая температура, LONG — географическая долгота. Видно, что признаки, связанные с минимальными температурами и холодостойкостью зимой и осенью чаще мутируют у обоих видов. Графики из обсуждаемой статьи в Science

Затем ученые обратились к тем генам, которые обеспечили однонаправленные корреляции, а именно, повышение холодостойкости. Объектом их внимания стали гены с увеличенным числом мутаций у холодостойких особей из северных популяций. Одинаковые они у сосны и у ели или разные?

Нужно взять «холодостойкие» гены с повышенным числом SNP, например, у сосны, и посмотреть, как обстоят дела с их ортологами (имеющими общий предковый ген) у ели. Оказалось, что у ели в четверти ортологичных генов число SNP тоже выше среднего. Для «холодостойких» генов сосны нашлись 5–10% ортологов ели с таким же повышенным уровнем мутирования. Если сравнить их не с ортологами, а с любым другим геном, то повышения SNP не выявится. Это обозначает, что в процесс адаптации к холоду у ели и сосны подключались 10–18% сходных (родственных) генов.

Эти 10–18% генов холодоустойчивости (их абсолютное число — от 47 до 83 генов в зависимости от строгости примененных фильтров) в большинстве своем (65%) имели дубли, то есть в ходе эволюции получили по дополнительной копии. В такой ситуации копию можно использовать для какого-нибудь нового дела, подправив ее в требуемом для адаптации направлении. Авторы работы пока не смогли заключить, является ли дублирование генов необходимым механизмом при выработке адаптаций, но считают выяснение этого вопроса исключительно важным для понимания эволюционных процессов.

Как видно из результатов работы, адаптации сосны и ели были направлены на выработку холодоустойчивости — признака, определяемого тысячами генов. Тем не менее, несмотря на гипотетически исчезающую вероятность конвергентной эволюции генов, такие конвергентные признаки все же были найдены. У сосны и ели нашлось 50–80 ортологичных генов, которые принимали участие в формировании сходных адаптаций. Авторы заключают, что конвергентная эволюция этого сложного физиологического ответа у давно разошедшихся видов была обусловлена изменениями в родственных генах. Подобный результат удивителен в контексте существующих представлений, согласно которым мы можем ожидать такой конвергенции от моногенного признака или определяемого единичными генами. Как видно, мы пока очень слабо представляем причины и механизмы конвергентной эволюции, в особенности — ее генетические обстоятельства. Требуются очень масштабные проекты, наподобие проведенного с елью и сосной, чтобы подобраться к разгадке конвергенции и параллельной эволюции.

Источник: Sam Yeaman, Kathryn A. Hodgins, Katie E. Lotterhos, Haktan Suren, Simon Nadeau, Jon C. Degner, Kristin A. Nurkowski, Pia Smets, Tongli Wang, Laura K. Gray, Katharina J. Liepe, Andreas Hamann, Jason A. Holliday, Michael C. Whitlock, Loren H. Rieseberg, Sally N. Aitken. Convergent local adaptation to climate in distantly related conifers // Science. 2016. V. 353. P. 1431–1433. DOI: 10.1126/science.aaf7812.

Елена Наймарк