Давно известно, что эволюция основных новых черт – таких как крылья, цветы, рога или конечности – играет ключевую роль в том, чтобы организмы могли использовать новые возможности в своем окружении.
Тем не менее, что до сих пор вызывает споры, так это то, как эти важные улучшения происходят с генетической точки зрения.
В новом исследовании международной группы эволюционных биологов под руководством Оксфордского университета использовались бактерии, чтобы показать, что получение дубликатов генов может обеспечить «шаблон», позволяющий организмам развивать новые атрибуты из избыточных копий существующих генов.
Дупликация генов была предложена как играющая ключевую роль в инновациях с 1970-х годов, но эти результаты добавляют важные эмпирические данные в поддержку этой теории.
Исследование, в котором участвовали ученые из Цюрихского университета, опубликовано в журнале PLOS Genetics.
Профессор Крейг Маклин, научный сотрудник Wellcome Trust на факультете зоологии Оксфордского университета, сказал: «Появление новых черт, таких как крылья и цветы, сыграло ключевую роль в эволюции биологического разнообразия.
Однако обычно трудно понять реальные генетические изменения, которые приводят к этим эволюционным инновациям.
«Мы воспользовались преимуществами простой бактериальной модельной системы, в которой бактерии развивают способность есть новые источники пищи, чтобы преодолеть это препятствие.’
Исследователи позволили 380 популяциям бактерий Pseudomonas aeruginosa развить новые метаболические признаки, такие как способность расщеплять новые сахара. Это дало исследователям возможность наблюдать за эволюцией в режиме реального времени.
После 30 дней эволюции они секвенировали геномы бактерий, у которых развились новые метаболические признаки. Они обнаружили, что мутации в основном затрагивают гены, участвующие в транскрипции и метаболизме, и что новизна имеет тенденцию развиваться за счет мутаций в ранее существовавших дублированных генах в P. геном aeruginosa.
Дублирование ведет к новизне, потому что генетическая избыточность, обеспечиваемая дублированием, позволяет бактериям развивать новые метаболические функции без ущерба для существующих функций. Эти результаты показывают, что прошлые события дублирования могут быть важны для будущих инноваций.
Профессор Маклин добавил: «Ключевой вывод нашего исследования заключается в том, что наличие избыточных копий генов дает бактериям шаблон для развития новых признаков без ущерба для существующих признаков. Другими словами, избыточные гены позволяют бактериям съесть свой пирог и съесть его.
У высших организмов, таких как животные и растения, повторяющиеся гены возникают в результате спонтанного дублирования существующих генов.
Напротив, бактерии имеют тенденцию приобретать повторяющиеся гены из соседних бактериальных клеток посредством горизонтального переноса генов, что является бактериальным эквивалентом пола.
Эти результаты предоставляют важные эмпирические данные, подтверждающие роль дупликации генов в эволюционных инновациях, и они предполагают, что можно предсказать способность патогенных бактерий развивать клинически важные черты, такие как вирулентность и устойчивость к антибиотикам.’