За несколько миллионов лет паук Dysdera tilosensis, вид, обитающий исключительно на Канарских островах, совершил нечто выдающееся: он сократил размер своего генома почти вдвое, приспосабливаясь к островной среде. Несмотря на это драматическое уменьшение, геном данного вида не только стал более компактным, но и содержит более высокий уровень генетического разнообразия, чем у родственных континентальных пауков.
Исследование, опубликованное в журнале Molecular Biology and Evolution, знаменует собой первый случай, когда ученые наблюдали сокращение генома животного вида почти на 50% в процессе колонизации океанических островов.
Традиционно ученые полагали, что виды, колонизирующие острова, склонны развивать более крупные геномы с большим количеством повторяющейся ДНК. Это новое открытие кардинально меняет такую точку зрения и углубляет дебаты по поводу одной из центральных загадок биологии: как и почему размер генома изменяется в ходе эволюции жизни.
Исследование возглавили Хулио Розас и Сара Гирао с факультета биологии и из Института исследований биоразнообразия (IRBio) Университета Барселоны. Первый автор исследования, Вадим Писаренко (UB–IRBio), работал с коллегами из Университета Ла-Лагуны, Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и Университета Невшателя в Швейцарии.
Ученым давно известно, что размер генома – общее количество пар оснований ДНК, содержащих генетические инструкции организма, – может сильно варьироваться между видами, даже среди тех, кто имеет схожую сложность. Это новое исследование представляет собой яркий пример такого явления и предполагает, что эволюция может развиваться в неожиданных направлениях.
Пауки рода Dysdera прошли замечательную диверсификацию на Канарских островах – регионе, часто описываемом как естественная лаборатория для изучения эволюции в изоляции. Почти 50 эндемичных видов Dysdera, что составляет около 14% всех известных видов этого рода, развились там с момента возникновения островов несколько миллионов лет назад.
Используя передовые инструменты секвенирования ДНК, исследователи сравнили два близкородственных вида: Dysdera catalonica, обитающую в некоторых частях Каталонии и на юге Франции, и D. tilosensis, родом с острова Гран-Канария. Профессор Хулио Розас, директор исследовательской группы эволюционной геномики и биоинформатики Университета Барселоны и член совета платформы Bioinformatics Barcelona (BIB), поясняет: «Вид D. catalonica имеет геном в 3,3 миллиарда пар оснований (3,3 Гб), что почти вдвое больше, чем у вида D. tilosensis (1,7 Гб). Примечательно, что, несмотря на меньший размер генома, у канарского вида наблюдается большее генетическое разнообразие».
Геномное секвенирование также показало, что D. catalonica имеет гаплоидный набор, состоящий из четырех аутосом и одной X-хромосомы, тогда как у D. tilosensis – шесть аутосом и одна X-хромосома. Профессор Хулио Розас отмечает, что «уменьшение генома паука D. tilosensis, связанное с колонизацией Канарских островов, является одним из первых задокументированных случаев столь радикального сокращения размера генома с использованием высококачественных эталонных геномов». По его словам, «это явление впервые детально описано для филогенетически близкородственных видов животных».
В случаях столь эволюционно схожих видов, обитающих в аналогичных условиях и имеющих схожий рацион, «различия в размере генома не могут быть легко объяснены экологическими или поведенческими факторами», – подчеркивает профессор Сара Гирао. Она добавляет, что филогенетический анализ, совмещенный с измерениями проточной цитометрии, показал: общий предок имел большой геном (около 3 Гб). Это указывает на то, что резкое сокращение генома произошло во время или после прибытия на острова.
Этот результат явно парадоксален по двум причинам. С одной стороны, хотя и менее часто у животных, наиболее распространенным паттерном является увеличение размера генома за счет дупликации всего генома. Гирао отмечает, что «особенно это характерно для растений, где часто встречаются полиплоидные виды (с множественным набором хромосом). Однако столь резкие сокращения размера генома за относительно короткий период времени гораздо реже».
Во-вторых, полученные данные противоречат теориям, утверждающим, что на островах эффект основателя – процесс колонизации небольшим числом особей – приводит к снижению селективного давления, и, как следствие, геномы должны быть крупнее и богаче повторяющимися элементами.
Докторант Вадим Писаренко сообщает, что в ходе исследования было обнаружено обратное: «Островные виды обладают меньшими, более компактными геномами с большим генетическим разнообразием». Этот паттерн предполагает наличие неадаптивных механизмов, при которых популяции на Канарских островах «оставались относительно многочисленными и стабильными в течение длительного времени. Такое положение дел могло поддерживать сильное селективное давление и, как следствие, приводить к устранению ненужной ДНК», – поясняет Писаренко.
Пока остается неясным, почему одни виды накапливают большое количество повторяющейся ДНК, в то время как другие развивают оптимизированные геномы. Полученные результаты могут помочь объяснить эту давнюю загадку в эволюционной биологии.
Некоторые ученые предполагают, что изменения размера генома непосредственно отражают адаптацию к окружающей среде. Другие утверждают, что эти изменения являются результатом баланса между накоплением повторяющихся элементов (таких как транспозоны) и их удалением посредством естественного отбора.
Исследователи заключают, что «это исследование подтверждает идею о том, что размер генома у этих видов зависит не столько от прямой адаптации, сколько от баланса между накоплением и удалением этой повторяющейся ДНК».
