Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными из Швейцарского федерального института водных наук Eawag и Технологического института Джорджии, а также с участием более 70 ученых из международного сообщества исследователей цихлид, появилось в предварительном онлайн-выпуске журнала Nature от 3 сентября.
«Наше исследование показывает спектр методов, которые природа использует, чтобы позволить организмам адаптироваться к разным условиям», – сказала соавтор исследования Керстин Линдблад-Тох, научный руководитель отдела биологии генома позвоночных в Институте Броуда, профессор сравнительной геномики в Упсальском университете. и содиректор лаборатории "Наука для жизни", Швеция. «Эти механизмы, вероятно, также работают у людей и других позвоночных, и, сосредоточив внимание на удивительно разнообразных рыбах-цихлидах, мы впервые смогли изучить этот процесс в широком масштабе."
Африканские рыбы-цихлиды – одни из самых разнообразных по фенотипу групп организмов на планете, насчитывающих более 2000 известных видов. Некоторые озера являются домом для сотен различных видов, которые произошли от общих предковых видов, которые покинули реку Нил, чтобы колонизировать определенные озера. Как и зяблики Дарвина, цихлиды являются ярким примером адаптивной радиации, процесса, с помощью которого несколько видов «излучаются» от предков через адаптацию.
Исследователи хотели изучить геном цихлид как модельную систему и определить, что позволило этим рыбам широко диверсифицироваться за относительно короткое время. Исследователи секвенировали геномы и транскриптомы – РНК из десяти тканей – пяти различных линий африканских цихлид.
Упорядоченные виды включают нильскую тилапию, представляющую родословную, и четыре восточноафриканских вида: вид, обитающий в реке около озера Танганьика; вид из озера Танганьика, колонизированный 10-20 миллионов лет назад; вид цихлид из озера Малави, колонизированный 5 миллионов лет назад; и виды из озера Виктория, откуда рыба излучала всего 15-100 тысяч лет назад.
Проанализировав данные, исследователи обнаружили удивительное количество геномных изменений.
По сравнению с предками геномы цихлид Восточной Африки обладают: избытком дупликаций генов; изменения в регуляторных, не кодирующих белки элементах генома; ускоренная эволюция элементов, кодирующих белок, особенно в генах пигментации; и другие отличительные особенности, которые влияют на экспрессию генов, такие как вставки мобильных элементов и регуляция с помощью новых микроРНК.
«Это не одно большое изменение в геноме этой рыбы, а множество различных молекулярных механизмов, используемых для достижения этой удивительной адаптации и видообразования», – сказала Федерика Ди Пальма, соавтор исследования природы, бывший помощник директора
секвенирование и анализ позвоночных в Брод, а теперь директор по науке в области геномики позвоночных и здоровья в Центре анализа генома в Великобритании.
Некоторые изменения в геноме, по-видимому, накопились до того, как виды покинули реки, чтобы колонизировать озера, и распространились на сотни видов.
Это говорит о том, что цихлиды когда-то находились в периоде снижения ограничений. За это время рыбы накапливали разнообразие за счет генетических мутаций, а ослабление ограничений, при которых процветали все особи, а не только самые приспособленные, позволяло накапливать генетические вариации.
Поскольку позже рыбы заселили новые экологические ниши в озерах, новые виды могли быстро сформироваться посредством отбора. Таким образом, резервуар мутаций – и результирующих фенотипов – представлял собой «геномный инструментарий», позволяющий быстро адаптироваться.
Остается еще много работы, чтобы полностью проанализировать мутации, которые вызывают каждый из различных фенотипов у цихлид, и может включать секвенирование еще многих видов цихлид. Эти усилия могут помочь объяснить, как похожие формы или черты параллельно развивались в разных озерах, сходясь в одной и той же морфологии через разные родословные.
Использование этих «естественных мутантов» в качестве модельной системы может пролить свет на биологию человека и его болезни. «Изучая, как естественные популяции, такие как рыбы, адаптируются и развиваются под воздействием селективного давления, мы можем узнать, как это давление влияет на людей с точки зрения здоровья и болезней», – сказал Ди Пальма.