Цинхай-Тибетское нагорье, известное как «третий полюс мира», имеет очень холодный климат, подобный арктическому региону, и некоторые животные, живущие в этих двух местах, демонстрируют схожие адаптации к низким температурам (такие как густая шерсть, больший размер тела и др.). Возникает вопрос: существует ли поток генов, связанный с адаптацией к холоду среди полярных видов? В дополнение к низкой температуре, животные высокогорий также сталкиваются с проблемами выживания в экстремальных условиях, таких как низкий уровень кислорода и сильное ультрафиолетовое излучение. Предыдущие исследования адаптивной эволюции высокогорных животных в основном были сосредоточены на адаптации к гипоксии, но мало что известно об адаптивном механизме к другим неблагоприятным факторам высокогорья.
27 октября международная группа ученых, в которую вошли сотрудники ИЭРиЖ УрО РАН В.А. Соколов и А.А. Соколов, опубликовала в журнале Nature Communications статью «Арктическая интрогрессия и регуляция хроматина способствовали быстрой колонизации Цинхай-Тибетского нагорья пернатым хищником». В сочетании с многомерным анализом и функциональными экспериментами это исследование впервые обнаружило генетический вклад родственников из Арктики в адаптивную эволюцию животных на Цинхай-Тибетском плато и систематически исследовало генетический механизм того, как животные плато адаптируются к низким температурам, гипоксии и сильному УФ-стрессу.
Сокол балобан, типичная хищная птица Цинхай-Тибетского нагорья, широко распространена в материковых районах Евразии и Северной Африки, а также в Синьцзяне, Внутренней Монголии и Северо-Восточном Китае. Его родственник, кречет, в настоящее время населяет тундры и лесотундры в арктических и субарктических регионах. Исследование показало, что более 20% аллельных локусов в популяции восточного балобана произошли от интрогрессии (приобретения особями одного вида генов от другого при межвидовой гибридизации) кречета.
Ученые смоделировали историческую среду обитания этих двух видов и обнаружили, что во время последнего ледникового максимума (LGM) кречет мигрировал из северных регионов на юг и гибридизировался с балобаном в Южной Сибири. Популяционно-генетические исследования выявили, что возможный путь постепенного расселения балобана на Цинхай-Тибетское нагорье следующий: около 41 тыс. лет назад (38-78 тыс. лет назад) балобаны постепенно расселились из Центральной Европы в Восточную Азию; около 21 тыс. лет (16–25 тыс. лет назад) кречеты переместились в южную Сибирь из Арктики; около 10 тыс. лет назад (8–12 тыс. лет назад) балобаны заселили Цинхай-Тибетское нагорье.
Что касается адаптации к низким температурам, исследование показало, что балобан на плато, живущий в холодных регионах, крупнее и тяжелее, чем западный балобан, что соответствует закону Бергмана. Исследователи обнаружили два родственных гена интрогрессии — SCMH1 и SCARB1 — в геноме балобана на плато. Первый ген - интрогрессивный фрагмент интрона SCMH1 – приводит к увеличению размера тела сокола. Второй ген SCARB1, содержащий инфильтрирующую аминокислотную мутацию SR-B1 P121L оказывается полезен для высокогорных хищников, так как выводит больше холестерина из крови и уменьшает негативный эффект увеличения липидов в рационе. Видно, что ключевые гены, проникшие от арктических родственников, помогают соколу лучше выживать в низкотемпературной среде Цинхай-Тибетского нагорья.
Для исследования адаптации к низкому содержанию кислорода в условиях высокогорья, использовался трехмерный анализ генома и транскриптома. В результате исследователи выяснили, что регуляторные элементы гена гемоглобина воздействуют на сам ген таким образом, что в ответ на гипоксию организм птицы вырабатывает больше гемоглобина, чтобы наиболее эффективно снабжать кислородом ткани и органы.
Адаптация к ультрафиолетовому излучению также обусловлена генетически. За синтез пигмента эумеланина, защищающего организм от избытка УФ-излучения отвечает участок гена ASIP, изменения в нем способствуют большей выработке пигмента и как следствие лучшей защищенности сокола балобана от ультрафиолетового излучения.
Исследование было сосредоточено на генетическом механизме адаптации животных плато к экстремальным условиям. Используя методы геномики, эпигеномики и функциональной геномики, исследование прояснило процесс быстрой колонизации Цинхай-Тибетского нагорья балобанами. Ключевые гены адаптации к низким температурам и раскрывают важную роль мутаций некодирующих областей в регуляции экспрессии генов, связанных с гипоксией и сильной адаптацией к УФ-излучению, что дает новое понимание того, как животные могут адаптироваться к экстремальным средам обитания на плато.
Исследование проводилось под руководством Института зоологии в сотрудничестве с Монгольским центром науки и охраны дикой природы, Словацким центром защиты хищников и Уральским отделением Российской академии наук.
Пути колонизации балобаном Цинхай-Тибетского нагорья с участием кречета