В долговременном эксперименте с E-koli формировались полиморфные сообщества

Долгосрочный эволюционный эксперимент на бактериях Escherichia coli, продолжающийся уже почти 30 лет, дал новые неожиданные результаты. Секвенирование ДНК бактерий из замороженной «ископаемой летописи» эксперимента показало, что за 60 000 поколений эволюция подопытных популяций не прекратилась и даже не замедлилась. Как минимум в 9 популяциях из 12 произошла экологическая диверсификация: исходная монокультура подразделилась на клады, связанные экологическими взаимодействиями и не вытесняющие друг друга. Внутри каждой клады эволюция продолжается полным ходом, причем дальнейшие изменения направляются как предшествующей эволюционной историей, так и меняющейся экологической обстановкой. Таким образом, эволюция «перехитрила» исследователей, надеявшихся изучить действие мутаций и отбора в ходе адаптации к стабильным условиям в предельно простой искусственной системе.

Рис. 1. Ход молекулярной эволюции в 12 популяциях кишечной палочки. Показаны изменения частоты встречаемости всех зарегистрированных новых мутаций. По горизонтальной оси — время в поколениях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


«Элементы» не раз рассказывали о долгосрочном эволюционном эксперименте, начатом в 1988 году Ричардом Ленски (см. ссылки в конце новости). В ходе эксперимента 12 исходно одинаковых популяций кишечной палочки Escherichia coli в течение вот уже более 60 000 поколений культивируются в одних и тех же условиях: в жидкой питательной среде, где единственным источником пищи является глюкоза. Правда, одна из популяций, Ara-3, научилась употреблять в пищу ещё и цитрат, присутствующий в среде в качестве вспомогательного вещества (см.: В долгосрочном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества, «Элементы», 25.09.2012). Раз в сутки из каждой популяции берут небольшую часть (примерно 107 клеток) и пересаживают в свежую питательную среду, где бактерии сначала быстро размножаются, а потом, по мере исчерпания глюкозы, рост численности замедляется. Каждые 500 поколений часть бактерий из каждой популяции замораживают для последующего изучения. Микробы при этом сохраняют жизнеспособность. Таким образом, в распоряжении исследователей имеется «живая палеонтологическая летопись» эксперимента.

Хотя условия эксперимента выглядят предельно простыми, многие его результаты оказались неожиданными. Например, логично было бы предположить, что после непродолжительного периода быстрой адаптации (роста приспособленности) к новым условиям популяции достигнут оптимума (поднимутся на пик ландшафта приспособленности, см. Fitness landscape), запас возможных полезных мутаций будет исчерпан, изменения замедлятся и наступит неопределенно долгий период эволюционного стазиса. Не тут-то было: даже после 50 000 поколений полезные мутации всё ещё появлялись, а приспособленность продолжала расти, хоть и с замедлением (см.: Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013).

Эксперимент изначально был спланирован таким образом, чтобы свести к минимуму все осложняющие обстоятельства, такие как изменения условий среды, генетический обмен и экологические взаимодействия между организмами. Исследователи хотели получить в чистом виде самый простой и фундаментальный эволюционный процесс — адаптацию к стабильной среде на основе мутаций и отбора. Однако, как метко заметил Лесли Оргел (Leslie Orgel), «эволюция умнее, чем ты» (см.: Orgel's rules). Новая статья Ленски и его коллег, опубликованная 18 октября в журнале Nature, показывает, что избежать сложностей все-таки не удалось. Как выяснилось, в подопытных популяциях сами собой зарождаются экологические взаимодействия, основанные на диверсификации и разделении ниш, что заставляет бактерий приспосабливаться к меняющейся биотической обстановке.

Авторы провели генетический анализ всей замороженной «ископаемой летописи» эксперимента, накопившейся за 60 000 бактериальных поколений и насчитывающей в общей сложности около 1440 проб (по 60 000/500 = 120 проб на каждую из 12 популяций). Для каждой пробы был проведен метагеномный анализ с 50-кратным покрытием (см.: Coverage). Этого оказалось достаточно, чтобы надежно идентифицировать все новые мутации, которые возникали в подопытных популяциях и достигали частоты не менее 10% (то есть встречались как минимум у каждой десятой бактерии) хотя бы в двух пробах. Мутации, не получившие столь широкого распространения, не учитывались, потому что их трудно отличить от случайных ошибок секвенирования.

В итоге получилась детальная реконструкция эволюционного процесса в 12 популяциях (рис. 1). Нужно помнить, что практически все изменения частот аллелей, заметные на рисунке 1, отражают работу естественного отбора, а не генетического дрейфа (случайных колебаний частот аллелей). Дрейф работает гораздо медленнее. Эффективная численность подопытных популяций составляет примерно 107, а при такой численности для того, чтобы новая мутация зафиксировалась (достигла частоты 1) за счет дрейфа, требуется время порядка 107 поколений, то есть в сотни раз больше, чем прошло с начала эксперимента. Все мутации, достигшие заметной частоты в ходе эксперимента, сделали это под действием отбора. Они либо сами были полезны и поддерживались отбором, либо находились в одном геноме с полезной мутацией и распространялись за счет «генетического автостопа» (см.: Genetic hitchhiking), типичного для бесполых популяций (см.: Половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных, «Элементы», 01.03.2016).

Как уже говорилось, рост общей приспособленности (которая оценивается по скорости размножения по сравнению с исходным, предковым штаммом) замедлился, но не прекратился (рис. 2, а; подробнее см. в новости Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013). Темп накопления новых мутаций остался высоким (рис. 2, b). В шести из двенадцати популяций зафиксировались аллели-мутаторы (мутации, снижающие точность репликации или репарации), что резко ускорило как появление, так и фиксацию новых мутаций (убегающие вверх графики на рис. 2, b). Впрочем, несколько позже в популяциях с мутаторами стали распространяться аллели-«антимутаторы», снижающие темп мутагенеза. Это видно по замедлению роста числа мутаций в некоторых популяциях с мутаторами (врезка на рис. 2, b).

Рис. 2. Динамика приспособленности и накопления мутаций в 12 популяциях. а — приспособленность, оцениваемая по скорости размножения бактерий по сравнению с исходным предковым штаммом (подробнее см. в новости: Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013). b — среднее число накопленных мутаций. Графики, резко уходящие вверх, соответствуют шести популяциям, в которых повысился темп мутагенеза из-за фиксации аллелей-«мутаторов» (мутаций, снижающих точность репликации или репарации). На врезке показана динамика накопления мутаций в шести популяциях с мутаторами. Белой линией показана усредненная динамика для популяций, в которых мутаторы не зафиксировались. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Рис. 3. Длительное сосуществование клад в подопытных популяциях. a — детальная история популяции Ara-6. На верхнем рисунке разными цветами показаны мутации «базальной клады» (basal clade), от которой в дальнейшем произошли «главная» клада (major clade, второй сверху рисунок) и «второстепенная» клада (minor clade, третий рисунок). Какая из клад считалась главной, а какая второстепенной, зависело от их численности в конце периода наблюдений. На нижнем рисунке показана судьба вымерших мутаций. — история всех двенадцати популяций, в девяти из которых удалось установить сосуществование двух клад (фиолетовая и розовая линии). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature