Ученые из Московского педагогического государственного университета (Анастасия Стрючкова и Наталия Кузнецова) и Института экологии растений и животных УрО РАН (Евгений Воробейчик) выяснили, что устойчивость к загрязнению широко распространенного вида почвенных коллембол (ногохвостки, мелкие членистоногие, обитающие в верхнем слое почвы) может быть связана со сменой его генетических линий, обладающих разной толерантностью к токсикантам. Такое закономерное изменение генетической структуры в градиенте промышленного загрязнения тяжелыми металлами у почвенных микроартропод обнаружено впервые. Статья «The changing of the guard: Genetic lineage replacement as the hidden driver of pollution tolerance in Сollembola» опубликована в журнале Environmental Pollution (IF=7.3).
Загрязнение почв тяжелыми металлами представляет собой серьезную и долговременную угрозу для наземных экосистем. Вокруг крупных металлургических предприятий, таких как Среднеуральский медеплавильный завод, формируются сильные градиенты загрязнения – от условно фоновых участков до зон с максимальной токсической нагрузкой. Это природные полигоны для изучения механизмов адаптации биоты.
Ранее было установлено, что один из массовых видов почвенных коллембол, Parisotoma notabilis, демонстрирует парадоксальную способность сохранять высокую численность даже на участках с наиболее сильным загрязнением – там, где другие виды микроартропод и даже целые группы почвенной фауны (например, дождевые черви), практически исчезают. С чем связана такая устойчивость, долго оставалось неясным.
Чтобы выяснить ее причины, авторы провели молекулярно-генетический анализ особей P. notabilis, собранных на разном удалении от завода: в фоновой зоне (ненарушенный лес), буферной (умеренное загрязнение) и импактной (сильное загрязнение). Используя ядерный маркер 28S рРНК, исследователи идентифицировали четыре генетические линии этого вида: L1, L2, L4-Hebert и новую, впервые описанную в этой работе L-East, распространенную в восточной Евразии.
Оказалось, что распределение линий по градиенту загрязнения неслучайно. Чувствительная линия L2 была обнаружена исключительно в фоновом лесу. Ее антипод – линия L1 – доминировала в импактной зоне, но не была обнаружена за ее пределами. Две другие линии – L4-Hebert и L-East – присутствовали на всех участках. Такое распределение означает, что экологический успех вида в условиях хронического токсического стресса может обеспечиваться не однородной устойчивостью популяций, а своего рода «сменой караула» на уровне внутривидовых генетических вариантов.
«Наши результаты показывают, что за внешне стабильным присутствием одного и того же вида может скрываться перестройка его генетической структуры, – поясняет Евгений Воробейчик. – При этом увеличение доли линии L1 служит надежным маркером ухудшения здоровья почвы, что открывает новые возможности для экологического мониторинга».
У работы есть и важное прикладное значение. «Традиционные лабораторные тесты для оценки экологических рисков, как правило, проводят на ограниченном наборе видов и линий, которые легко культивировать. Часто они происходят из нарушенных местообитаний, из-за чего обладают повышенной толерантностью к действию различных неблагоприятных факторов. Использование генетически неконтролируемой или заведомо устойчивой культуры может приводить к плохо воспроизводимым результатам и недооценке токсичности» – отмечает Евгений Воробейчик.
Авторы подчеркнули необходимость разработки новых стандартов биотестирования, предусматривающих использование сертифицированных генетических линий тест-организмов, а в идеале – одновременное использование как толерантных, так и чувствительных линий.