Неизвестная форма эволюции: рис наследует устойчивость к холоду без изменений ДНК

Авторы исследования провели эксперименты, которые впервые демонстрируют механизм эпигенетических изменений химических маркеров в ДНК растений, которые на самом деле не изменяют сами последовательности.

Майкл Скиннер, изучающий эпигенетическое наследование в Университете штата Вашингтон в Пулмане, говорит, что исследование пополняет растущий массив доказательств, оспаривающих преобладающую точку зрения на эволюцию, согласно которой адаптации возникают только в результате постепенного естественного отбора случайно возникающих мутаций ДНК.

«Новое исследование показывает, что окружающая среда — не просто пассивный участник эволюции, а селективная сила, вызывающая целенаправленные изменения, говорит Скиннер.

Растения риса происходят из тропических регионов, но сегодня их выращивают по всему миру, приспосабливая к более холодным условиям. Шаньцзе Танг, генетик растений из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук в Пекине, и его коллеги хотели выяснить, как растения приобрели эту способность адаптироваться к низким температурам.

Они выделили азиатский сорт риса (Oryza sativa L.), который был особенно восприимчив к холоду и производил меньше жизнеспособных семян при выращивании в более холодной среде. В тот момент, когда растения были готовы к размножению, исследователи поместили их в камеру с температурой 15°C на 7 дней, а затем вернули в естественную среду. У растений, давших наибольшее количество семян, были собраны семена, и следующее поколение было подвергнуто такому же холодовому стрессу. Исследователи заметили, что к третьему поколению один сорт дал много семян, несмотря на холодовой стресс. Растения сохраняли эту способность на протяжении пяти поколений, пока исследователи продолжали эксперимент.

Танг был удивлен тем, как быстро растения выработали эту устойчивость к холоду. Этот процесс происходил гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать от адаптации путем естественного отбора.

Чтобы исключить возможность того, что эта адаптация была вызвана различиями в последовательности ДНК холодоустойчивых растений, исследователи секвенировали геномы этих растений, а также тех, которые не подвергались охлаждению и не развили такую же устойчивость. Они не обнаружили никаких генетических различий, которые могли бы повлиять на устойчивость растений к холоду.

Самой большой проблемой, говорит Танг, было убедить рецензентов в отсутствии генетических изменений, вызвавших эту адаптацию, поэтому им пришлось провести обширные генетические тесты, чтобы исключить такую возможность.

Затем исследователи искали «эпигенетические» маркеры — небольшие молекулы, которые могут регулировать активность генов, — которые различались между двумя сортами растений. Ученые обнаружили, что по сравнению с нехолодостойкими растениями у холодостойких было меньше химических меток, добавленных в геном в начале определенного гена, который они назвали Acquired Cold Tolerance 1 (ACT1). Когда ученые деактивировали эти химические метки в растениях, выращенных в нормальных условиях, эти растения стали лучше переносить холод. А когда исследователи снова ввели метки, растения эту способность потеряли.

Затем исследователи проверили количество химических меток на гене ACT1 у 131 сорта риса, выращенного в Китае. Большинство культур, обнаруженных в самом холодном северном регионе, имели меньше химических меток на гене ACT1, чем ожидалось для сортов риса, а большинство культур из более теплого прибрежного южного региона имели их в изобилии. Это говорит о том, что данная особенность, вероятно, способствовала миграции растений на север.

Другие примеры эпигенетического наследования были найдены у животных. Но большинство признаков связано с болезнями и не является полезной адаптацией к окружающей среде, как в случае с холодоустойчивым рисом. Например, потомство беременных крыс, подвергшихся воздействию фунгицидов, более восприимчиво к заболеваниям; а самцы мышей, обученные бояться специфического химического запаха, дают потомство, более чувствительное к тому же запаху.

«С каждым годом мы будем видеть все больше и больше подобных работ, которые начнут убеждать научное сообщество» в том, что эпигенетическое наследование реально, говорит Скиннер.