Гены восстановления ДНК помогли водяным блохам выжить в пустыне

Российские биологи совместно с зарубежными коллегами расшифровали геном микроскопических рачков дафний, обитающих на Аравийском полуострове. Вид Daphnia arabica смог адаптироваться к столь засушливым условиям благодаря комбинации генов, отвечающей за восстановление молекулы ДНК при ее повреждении в условиях стресса. Другие дафнии, обитавшие здесь, вымерли около 100 тысяч лет назад из-за изменения климата. Расшифровка генома этого уникального организма поможет генетикам и селекционерам вывести виды животных и растений, приспособленных к засушливым условиям. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Дафнии, или водяные блохи, играют значимую роль в водных экосистемах. Они питаются остатками органики на дне и в толще воды, помогая ее очищать, а также служат кормом для многих обитателей водоемов. Кроме того, водяные блохи могут быть своеобразным индикатором чистоты воды, поскольку они чувствительны к различного рода загрязнениям.

Всего ученым известно более 50 видов дафний. Ранее их было трудно изучать и классифицировать, поскольку рачки внешне очень похожи друг на друга. Однако за последние пять лет ситуацию упростила доступность генетического анализа, который позволяет увидеть различия между видами на уровне ДНК.

Ученые активно используют водяных блох для исследований, поскольку эти рачки неприхотливы, легко размножаются и быстро растут. Для генетиков и экологов дафнии полезны тем, что обитают по всей планете. Сравнивая геномы родственных видов, живущих в разных климатических зонах, ученые выясняют механизмы их приспособления к природно-климатическим условиям. Кроме того, эти исследования позволяют лучше узнать историю Земли, происхождения и развития живых организмов.

Ученые из Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова Российской академии наук (Москва) совместно с зарубежными коллегами расшифровали и проанализировали полный геном обнаруженного в прошлом году вида Daphnia arabica. Он обитает только в одном мелководном водоеме в Объединенных Арабских Эмиратах, который летом полностью пересыхает. Генетический анализ показал, что вид сформировался около 60 миллионов лет назад, когда климат на Земле был теплым и влажным. Тогда в регионе существовали и другие водяные блохи, но все они, кроме Daphnia arabica, вымерли около 100 тысяч лет назад из-за повышения температуры и пересыхания водоемов. Daphnia arabica удалось приспособиться к внезапным и продолжительным засухам благодаря особенностям размножения. Пол у дафний в целом определяется внешними условиями среды. В комфортных влажных условиях изученные рачки размножаются партеногенезом, и их популяция состоит исключительно из самок, которые воспроизводят собственные клоны также женского пола. Когда водоем начинает пересыхать, выводятся самцы.

Теперь дафнии начинают размножаться половым путем, откладывая на дно оплодотворенные яйца, покрытые засухоустойчивой оболочкой — эфиппии. Яйца находятся в покоящемся состоянии и способны долго существовать без воды, а взрослые особи погибают. Когда водоем вновь наполняется, из них вылупляется новое поколение самок.

Ученые собрали образцы грунта со дна пересохшего озера, выделили эфиппии водяной блохи и в лабораторных условиях вывели из них популяцию самок. Проанализировав особенности их строения, исследователи отобрали более 60 особей для анализа ДНК с помощью авторской программы генетических методов. Ученые расшифровали геном Daphnia arabica и сравнили его с наборами генов других ранее описанных видов водяных блох. У рачков из Аравийской пустыни обнаружилась комбинация генов SOSS-C, которая позволяет организму восстанавливать ДНК при ее повреждении в экстремальных условиях. Примечательно, что у дафний из других климатических зон соответствующих генов нет.

«Этот белковый комплекс ранее был найден у ряда позвоночных животных, которые живут в засушливых условиях, и, вероятно, благодаря ему могут выдерживать их. Используя гены SOSS-C в биотехнологии, можно вывести улучшенных животных и растения для пустынных регионов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Неретина, кандидат биологических наук, научный сотрудник ИПЭЭ РАН имени А.Н. Северцова.