Геном лиственницы раскрывает секреты адаптации к изменению климата

Лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) – одна из ключевых пород сибирских бореальных лесов, чья древесина по своим показателям превосходит многие другие хвойные породы. Она обладает высокой экологической и экономической значимостью. Большой интерес вызывает широкий ареал распространения лиственницы сибирской, который включает как тундровые зоны на севере, так и лесные и лесостепные зоны Алтая и Саян на юге. Лиственница также рассматривается в качестве одной из наиболее перспективных пород для искусственного лесовосстановления и лесоразведения. Однако генетическое изучение этого вида затруднено огромным размером генома: около 12 миллиардов нуклеотидных пар образуют генетический код лиственницы. Это в четыре раза больше генома человека. Последнее время, благодаря развитию высокопроизводительных методов секвенирования — процедуры «прочтения» генома, такие исследования стали доступны и позволяют анализировать большой набор генов и их взаимодействие.

Ученые из Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами изучили генетическую структуру популяций лиственницы сибирской, растущей на разных географических широтах с контрастными климатическими условиями. Специалисты определили генетические маркеры адаптации лиственницы к условиям окружающей среды.

Исследование проводилось с использованием данных о климате, таких как среднегодовая температура, влажность, скорость ветра и освещенность. Эти показатели очень разнятся в разных областях ареала лиственницы: ближе к северным границам значительно уменьшается длина теплого сезона и светового дня, а на юге существует дефицит влаги и нередки засухи. Был проведен поиск генов, участвующих в локальной адаптации – развитии тех приспособлений, которые помогают дереву выжить в самых сложных природных и климатических условиях.

Для этого, используя ранее полученный красноярскими учеными геном лиственницы сибирской в качестве основы, были частично секвенированы 125 деревьев лиственницы из Сибири и Урала. Сравнив деревья, растущие в разных широтах на западных и восточных территориях, исследователям удалось найти несколько вариаций в геноме, которые с высокой долей вероятности объясняют, как лиственница адаптировалась к разным условиям обитания.

Ученые обнаружили двадцать одну генетическую вариацию, которые могут быть связаны с устойчивостью к стрессам и приспособляемостью к определенным условиям окружающей среды. Большинство из них находится в митохондриальном геноме. Именно митохондриальные гены играют решающую роль в локальной адаптации растений к различным условиям окружающей среды. Генетический анализ также показал, что анализируемые популяции лиственницы сибирской с западной территории более разнообразны, чем с восточной. Для западной популяции также более выражена связь генетических различий между популяциями лиственницы с расстоянием между местами их произрастания и климатическими условиями в этих местах.

«Полученные результаты говорят о том, что лиственница сибирская генетически достаточно сильно различается в пределах своего ареала. Мы обнаружили девять однонуклеотидных полиморфизмов, которые находятся под действием отбора, их встречаемость в популяции распределена не нейтрально. Кроме того, было выявлено 12 потенциально адаптивных полиморфизмов, которые связаны с изменчивостью факторов окружающей среды. Результаты данного исследования показывают, что использование геномных данных позволяет получить более точную картину генетической структуры популяций лиственницы сибирской и выявить новые генетические маркеры для изучения адаптаций этого вида к изменяющимся условиям. Эти данные могут быть использованы для разработки стратегий сохранения и восстановления популяций растений в условиях изменения климата и антропогенного воздействия», — рассказала Серафима Новикова, младший научный сотрудник лаборатории геномных исследований и биотехнологии ФИЦ КНЦ СО РАН.