„Evoluce je náhodný proces,“ zní obecně známá definice. Vědci z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy publikací v prestižním časopise Americké akademie věd (PNAS) ukazují, že to za některých podmínek neplatí a existují vnitřní zákonitosti, podle kterých se evoluce opakuje.
Huseníček je původně nížinná rostlina (rostliny dole), opakovaně se ale přizpůsobil i horskému prostředí (nahoře). Autor: Doubravka Požárová.
„Tato studie je významná tím, že se nám podařilo zjistit, že i něco tak zdánlivě nepředvídatelného v biologii jako evoluce může mít nějaké vnitřní zákonitosti a za určitých podmínek se může opakovat,“ říká Filip Kolář, vedoucí týmu Evoluční genomiky na Katedře botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. „A osobně mě ta míra opakovatelnosti překvapila – nečekal jsem, že najdeme tolik míst v genomu, které tak často podléhají opakované evoluci,“ dodává.
Vědce zajímala opakovaná (konvergentní) evoluce dvou příbuzných huseníčků (Arabidopsis arenosa a Arabidopsis halleri) k horskému prostředí. Huseníček je oblíbená modelová rostlina, kterou ale většina biologů zkoumá v laboratoři, a nikoliv v místech, kde se přirozeně vyskytuje. „Výzkumu planě rostoucích huseníčků v přirozených podmínkách se věnuji již dlouhodobě. Například jsme zmapovali, kde se v Evropě vyskytuje a že i když je to přirozeně nížinná rostlina, adaptovala se i na život ve vysokohorských oblastech,“ popisuje biolog Kolář, který na své výzkumy v roce 2019 získal i prestižní grant Evropské výzkumné rady (ERC).
„V horských oblastech na rostliny působí mnoho stresových faktorů – vysoké UV záření, velké výkyvy teplot, krátká letní sezóna, kdy se musí stihnout rozmnožit během pár týdnů... A tomu se horské populace huseníčku musely přizpůsobit,“ popisuje první autorka studie Magdalena Bohutínská. Navíc hory jsou ideální prostředí pro nezávislé experimenty. „Jednotlivé vrcholy jsou rozprostřené v krajině jako samostatné ‚ostrovy‘, které jsou od sebe oddělené údolím a nemohou spolu komunikovat. To nám umožňuje studovat opakovanost evoluce, protože se populace v každém pohoří přizpůsobují nezávisle,“ vysvětluje vědkyně.
Výzkum sněhu i dešti navzdory
Vědci si pro svůj výzkum vybrali pět evropských pohoří. „Na základě předchozích výzkumů jsme vytipovali sedm míst, kde se vyskytují nížinné i horské populace huseníčků. Z každé populace jsme měli osm až dvacet rostlin – sbírají se listy, které se suší v silikagelu – to jsou ty kuličky, které znáte z krabic nových bot,“ směje se Bohutínská. Následně vědci z každého vzorku izolují DNA, kterou odešlou na sekvenaci.
Zpracování vzorků probíhá přímo v terénu.
Sběr rostlin je často veliké dobrodružství. „Musíte se vypořádat s nepřízní počasí, toulavými psy, ale třeba i s tím, že se vám v dané oblasti rostliny nedaří najít... Ale někdy je i následné zpracování a analýza sekvenačních dat u počítače drama, ale spíše to vnitřní,“ sdílí zážitky mladá vědkyně, které se během výzkumů narodily dvě děti. „Jsem velmi vděčná, že jsem ve výzkumu mohla pokračovat i jako těhotná a později s malými dětmi. Vzorem mi byla mamka (profesorka Katarína Holcová působí na Ústav geologie a paleontologie PřF UK – pozn. redakce), která je vědkyní a má čtyři děti. Nešlo by to ale bez podpory manžela a kolegů.“
Vědci se při sběru vzorků často potýkají s nepřízní počasí.
„Měli jsme předem formulované hypotézy, na které jsme hledali odpověď. Ale i tak to byl vždy skvělý pocit, když jsme v sekvenačních datech nacházeli zákonitosti, které dávaly smysl. Třeba, že u horské populace je pozměněný gen pro ochranu proti UV záření,“ líčí Bohutínská. Podařilo se jim takto odhalit 150 genů, jejichž pozměněním se rostliny horskému prostředí přizpůsobily. Většina z nich jsou zodpovědné za odpověď k vysokému záření, nízké teplotě, krátké letní sezóně, odlišnému složení půdy či spektru býložravců a patogenů.
Dále vědci zjistili, že příbuzné populace se častěji přizpůsobují pomocí stejných genů než vzdálenější druhy. „Díky modelování evolučních scénářů se nám podařilo dokázat, že za tímto jevem stojí schopnost blízce příbuzných populací sdílet výhodné mutace takzvaným genovým tokem – že třeba přiletí semínko větrem nebo ho přenese pták, či je zdědí od společného předka. A čím jsou od sebe druhy příbuzensky vzdálenější, tím méně k takovému křížení dochází,“ popisuje bioložka. To znamená, že čím blíže jsou si populace nebo druhy příbuzné, tím větší je šance, že zdědí již odzkoušenou genetickou výbavu vhodnou k přizpůsobení. Vzdálenější populace se naopak musí přizpůsobit samy od začátku a tím spíše se přizpůsobí pomocí jiných genů.
Důležité poznatky pro praxi
„Z tohoto výzkumu mám velikou radost i jako školitel, protože s klíčovou myšlenkou studia obecných vlastností evoluce, která celou studii posunula dál, přišla Majda,“ chválí svou doktorandku a prvoautorku studie Filip Kolář. Právě oni dva celý výzkum vedli a ke spolupráci si přizvali vědce z Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity, University of California Davis a Stockholm University.
Do terénu se Filip Kolář i Magdalena Bohutínská někdy vypravují i s rodinou.
Pochopení obecných principů evoluce by mohlo přispět například k porozumění tomu, jak vzniká odolnost ke znečištění prostředí či rezistence k pesticidům. „Z adaptivní evoluce lze vyvodit řadu praktických poznatků, například že rezistence k herbicidům vyvinutá u jedné rostliny se s velkou šancí může vyskytnout i u její příbuzné. Nebo že pokud se nějaký druh ryby vypořádá s průmyslovým znečištěním vody, stane se tak pravděpodobněji i u jeho blízkého druhu,“ dodává Magdalena Bohutínská.
