Мастер адаптации: генетики объяснили, как лиственница научилась выживать в экстремальных условиях

Чем выше растет дерево, тем более суровые условия его окружают: сказывается пониженное атмосферное давление и низкая температура воздуха, повышенный уровень солнечной радиации и сильный ветер. Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) выявили генетические механизмы, помогающие лиственнице адаптироваться к жизни в высокогорье. Среди них: сохранение целостности клеток за счет особых белков-шаперонов, регулирование стресса, а также уровня доступности молекул ДНК для синтеза белка.

Деревья, растущие в зоне высокогорья, можно считать мастерами биологической адаптации. Они представляют собой удобную модель, на которой ученые могут изучать механизмы, помогающие древесным растениям приспосабливаться к особым биоклиматическим условиям.

Повышенное внимание исследователей к лиственнице связано с ее большим ареалом распространения: это самая часто встречающаяся древесная порода в Евразии — ее можно найти как на Алтае, так и за Полярным кругом. Запасы лиственницы составляют более одной трети общего объема древесины в стране. По своим техническим свойствам она превосходит другие хвойные породы, и по прочности сопоставима с древесиной дуба. К тому же лиственница рассматривается в качестве одной из наиболее перспективных пород для искусственного лесовосстановления и лесоразведения. После пожаров и вырубок лиственница одной из первых заселяет поврежденные участки леса.

Сравнив на геномном уровне деревья, растущие на разных высотах, исследователи из Сибири выделили несколько вариаций в генах, которые с высокой долей вероятности объясняют, как лиственница адаптировалась к высокогорью.

«Ранее ученые СФУ первыми в мире провели геномную сборку, а затем получили аннотацию генома лиственницы сибирской. Опираясь на эти данные, мы частично секвенировали (то есть расшифровали) и провели полногеномное генотипирование 231 дерева, чтобы более пристально изучить генетические механизмы, свойственные для популяций этого вида. В актуальном исследовании провели популяционно-генетический анализ лиственницы, который помог обнаружить признаки локальной адаптации — тех приспособлений, которые помогают дереву выжить в самых сложных природных и климатических условиях», — рассказала Серафима Новикова, инженер-исследователь лаборатории лесной геномики СФУ, первый автор статьи, опубликованной в высокорейтинговом журнале.

Ученые смогли идентифицировать 49 однонуклеотидных замен в генах-кандидатах, изменчивость которых была связана с высотой и другими переменными факторами окружающей среды. Они предположили, что лиственница сибирская адаптировалась к высокогорью отчасти за счет поддерживающих функций, связанных с размножением в условиях абиотического стресса — низких температур, пониженного давления, сильных ветров.

Так, особые белки-шапероны сохраняют клетки в целости и не позволяют клеточным белкам разрушаться из-за воздействия высоких или низких температур. Важную роль также играет поддержка и стимуляция роста клеток, сигнализация стресса, регулирование уровня доступности молекул ДНК для синтеза белка.

«Учитывая, что многие факторы внешней среды, воздействующие на лиственницу в высокогорных условиях, можно с уверенностью отнести к стрессу, данное исследование позволяет выявить важные для селекции гены и однонуклеотидные полиморфизмы, а также закладывает основу для создания ДНК-чипа, чтобы проводить генотипирование с целью мониторинга селективно-нейтральных и адаптивных генетических изменений в других популяциях», — комментирует полученные результаты Константин Крутовский, руководитель проекта, профессор кафедры геномики и биоинформатики Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ.

По словам ученых, информация о генетической структуре популяций лиственницы сибирской сегодня используется для оценки потенциала этого вида. Однако значительный размер генома дерева затрудняет изучение: у генома лиственницы около 12 миллиардов пар нуклеотидных оснований, что почти в четыре раза больше, чем у человека.

Результаты исследования научного коллектива СФУ вносят значительный вклад в выявление генетического адаптивного потенциала природных популяций.