«Атлантическая и балтийская сельдь являются отличными моделями для эволюционных исследований по двум причинам», – объясняет д-р. Лейф Андерссон из Уппсальского университета и Техасского университета A&M, который руководил исследованием. "Во-первых, их огромные размеры популяции позволяют нам изучать эффекты естественного отбора без тревожных стохастических изменений частоты вариантов генов, которые происходят в небольших популяциях.
Во-вторых, колонизация солоноватоводного Балтийского моря сельдью в течение последних 10 000 лет (после последнего оледенения) дает возможность изучить, что происходит, когда вид адаптируется к новой среде."
«Мы исследовали весь геном во многих популяциях атлантической и балтийской сельди и обнаружили, что одно изменение аминокислоты в белке родопсине, в котором фенилаланин заменен тирозином, сыграло решающую роль во время адаптации к Балтийскому морю», говорит Джейсон Хилл, ученый из Упсальского университета в Упсале, Швеция, и первый автор статьи. Это имеет большой смысл, поскольку родопсин является светочувствительным рецептором сетчатки глаза, а спутниковые данные показывают, что в Балтийском море световая среда смещена в красную область по сравнению с Атлантическим океаном, поскольку растворенный органический материал поглощает синий свет.
"Тщательный генетический анализ наших данных показывает, что эволюционный процесс должен был быть очень быстрым. По нашим оценкам, частота встречаемости варианта гена родопсина, обнаруженного у балтийской сельди, увеличилась, и он стал наиболее распространенным вариантом всего за несколько сотен лет », – говорит ученый Матс Петтерссон из Упсальского университета.
Аминокислоты фенилаланин и тирозин структурно очень похожи и отличаются только наличием гидроксильного (-ОН) фрагмента в тирозине, поэтому может ли это изменение быть настолько важным??
«Фактически, кристаллическая структура родопсина показывает, что остаток 261 расположен в непосредственной близости от хромофора сетчатки, где происходит поглощение света. Присутствие тирозина в родопсине балтийской сельди вызывает красное смещение поглощения света примерно на 10 нанометров и, таким образом, может улавливать больше фотонов в световой среде с красным смещением в Балтийском море », – говорит д-р. Патрик Шерер из Charite – Universitatsmedizin Berlin, Берлин, Германия, и один из соавторов исследования.
Когда ученые проанализировали последовательность родопсина у более чем 2000 рыб, они обнаружили, что около одной трети всех видов, обитающих в солоноватой или пресной воде, несут точно такие же генетические изменения, что и балтийская сельдь, тогда как почти все рыбы, обитающие в морских водах, имеют вариант гена родопсина с фенилаланин, как атлантическая сельдь. «Примечательно, что одна и та же мутация возникает независимо и по крайней мере 20 раз у тысяч видов рыб, это действительно яркий пример конвергентной эволюции на молекулярном уровне», – говорит Эрик Энбоди, соавтор и научный сотрудник. в Уппсальском университете.
«Наша гипотеза заключается в том, что это изменение родопсина особенно важно на стадии молоди и что вариант балтийской сельди позволяет личинкам рыб лучше использовать световую среду Балтийского моря при поиске пищи или избегании хищников», – объясняет Лейф Андерссон. Эта гипотеза подтверждается их открытием, что и атлантический лосось, и кумжа, которые всегда нерестятся в пресной воде, но могут жить большую часть своей жизни в морской воде, содержат тирозин 261 в родопсине, как и пресноводная рыба.
Напротив, европейский и японский угорь, которые рождаются в морских водах, но большую часть взрослой жизни живут в пресной воде, несут фенилаланин 261, как и подавляющее большинство морских рыб.