W nowych badaniach naukowcy z Arizona State University i ich koledzy zbadali zmiany genetyczne zachodzące w naturalnie izolowanej populacji pchły wodnej, Daphnia pulex. Ten maleńki skorupiak, ledwo widoczny gołym okiem, odgrywa kluczową rolę w ekosystemach słodkowodnych i oferuje unikalne okno na dobór naturalny i ewolucję.

Wyniki ich badań zostały opublikowane w bieżącym wydaniu czasopisma Materiały Narodowej Akademii Naukopierają się na dekadzie badań. Wykorzystując zaawansowane techniki genomiczne, zespół badawczy przeanalizował próbki DNA pochodzące od prawie 1000 dafni.

Odkryli, że siła doboru naturalnego w odniesieniu do poszczególnych genów znacząco różni się z roku na rok, utrzymując zmienność i potencjalnie zwiększając zdolność adaptacji do zmieniających się warunków środowiskowych w przyszłości poprzez dostarczanie materiału wyjściowego, na który może oddziaływać dobór naturalny.

W pozornie stabilnych środowiskach występują znaczne wahania częstotliwości wariantów genów znanych jako allele w określonych regionach chromosomowych w czasie, nawet jeśli ogólna siła selekcji pozostaje bliska zeru średnio przez wiele lat. Sugeruje to, że taka zmienność genetyczna pozwala populacjom pozostać zdolnymi do adaptacji do zmian środowiskowych.

„To badanie po raz pierwszy pozwoliło nam zajrzeć w szczegóły dotyczące zmian czasowych w częstotliwościach występowania genów, które zachodzą nawet w pozornie niezmiennych środowiskach, czyli w swego rodzaju ciągłym procesie zmiany zmienności genetycznej rozłożonej w całym genomie” – mówi Michael Lynch, główny autor nowego badania.

Lynch jest dyrektorem Biodesign Center for Mechanisms of Evolution i profesorem w School of Life Sciences na ASU. Inni badacze biorący udział w badaniu to koledzy z ASU, Central China Normal University i University of Notre Dame.

Siła selekcji

Daphnia, forma zooplanktonu, fascynuje biologów od wieków ze względu na ich kluczową rolę w ekosystemach wodnych i zdolność do adaptacji do stresorów środowiskowych. Oprócz ich wartości dla wielopokoleniowych badań genetycznych, Daphnia są szeroko stosowanymi organizmami modelowymi do testowania toksyczności w wodach słodkich, ponieważ mają szybki bezpłciowy cykl reprodukcyjny i są wrażliwe na różne zanieczyszczenia środowiska.

Te maleńkie stworzenia są ważnym źródłem pożywienia dla ryb i pomagają kontrolować wzrost glonów. Ich zdolność do szybkiego dostosowywania się do zmian środowiskowych może zawierać wskazówki, w jaki sposób inne gatunki — w tym te ważne dla zaopatrzenia w żywność dla ludzi — mogą reagować na zanieczyszczenia, zmiany klimatu i inne stresory wywołane przez człowieka.

Większość badanych miejsc w genomie Daphnia wykazała, że ​​doświadczała zmieniających się nacisków selekcyjnych w okresie badania. Średnio naciski te mają tendencję do równoważenia się, aby mieć niewielki ogólny wpływ, 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.

Te odkrycia podważają tradycyjne przekonanie, że mierzenie różnorodności genetycznej (zakresu różnych cech w populacji) i dywergencji genetycznej (różnic między populacjami) może łatwo pokazać, jak konsekwentnie działa dobór naturalny. Zamiast tego dobór naturalny wydaje się działać z większą subtelnością i złożonością, niż wcześniej sądzono.

Nowe spojrzenie na zmienność genetyczną

Badanie toruje nowe szlaki, wskazując, kiedy i gdzie presja selekcyjna występuje w genomie. Poza cechami, o których wiadomo, że są silnie uwarunkowane przez dobór naturalny, istnieje niewiele informacji na temat tego, jak częstości alleli zmieniają się w czasie w populacjach naturalnych.

Wieloletnia analiza całego genomu obejmująca prawie 1000 próbek genetycznych z populacji Daphnia pulex pokazuje, że większość miejsc genetycznych podlega zróżnicowanej selekcji, przy czym średni wpływ jest bliski zeru, co wskazuje na niewielką, stałą presję selekcyjną w różnym czasie oraz rozproszenie selekcji na wiele regionów genomu.

Wyniki te podważają powszechne rozumienie różnorodności genetycznej i rozbieżności 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 wykazało również, że geny zlokalizowane blisko siebie na chromosomach mają tendencję do ewolucji w skoordynowany sposób. To powiązanie umożliwia dziedziczenie korzystnych kombinacji wariantów genów, co potencjalnie przyspiesza proces adaptacji.

Ten efekt może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób gatunki czasami adaptują się szybciej, niż naukowcy normalnie by się spodziewali. Z drugiej strony, to samo zjawisko może skutkować tym, że szkodliwe allele zostaną przeniesione do wyższych częstotliwości przez powiązane korzystne allele, zmniejszając ogólną wydajność selekcji w niektórych przypadkach.

Badanie pokazuje, że ewolucja jest bardziej dynamiczna i złożona, niż wcześniej sądzono. Wpływ środowiska na geny zmienia się często, co prawdopodobnie pomaga gatunkom zachować różnorodność genetyczną potrzebną do przystosowania się do przyszłych warunków. Ta nowa wiedza może skłonić naukowców do przemyślenia sposobu, w jaki badają ewolucję w środowisku naturalnym.

Chociaż badanie koncentrowało się na Daphnia pulex, wyniki mogą mieć znaczenie dla zrozumienia, jak inne gatunki mogą reagować na szybkie zmiany środowiskowe, w tym te spowodowane działalnością człowieka, takie jak zanieczyszczenie i zmiana klimatu. Ocena stabilności częstotliwości alleli w bardziej stabilnych środowiskach jest ważnym wstępnym krokiem. Takie badania są krytyczne, ponieważ same eksperymenty laboratoryjne nie są w stanie odtworzyć złożoności wpływów środowiskowych oddziałujących na dzikie populacje.

Ponadto zrozumienie, w jaki sposób Daphnia ewoluuje, może dać wgląd w odporność całych ekosystemów. Ta wiedza może pomóc badaczom przewidzieć i potencjalnie złagodzić wpływ zmian środowiskowych na bioróżnorodność i sieci pokarmowe.

Podczas gdy świat zmaga się z przyspieszającym kryzysem środowiskowym, badania takie jak to dostarczają kluczowych spostrzeżeń na temat zdolności natury do odporności i adaptacji. Kontynuując badanie tych maleńkich stworzeń, naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć podstawowe mechanizmy ewolucji i zastosować te lekcje w szerszych działaniach ekologicznych i konserwatorskich.