Дикие томаты на Галапагосских островах демонстрируют «деволюцию», выяснили ученые

Новое исследование показало, что дикие томаты на Галапагосских островах могут служить примером так называемой деволюции — процесса, при котором виды восстанавливают утраченные за миллионы лет эволюции признаки. Результаты работы, опубликованной в журнале Nature Communications, указывают на ключевую роль фермента, контролирующего химическую защиту растений, и ставят под сомнение представление о необратимости эволюции.

Растения семейства пасленовых, к которым относятся томаты, картофель и баклажаны, вырабатывают стероидные гликоалкалоиды (SGAs) — токсичные соединения, защищающие их от вредителей и патогенов. Ученые сосредоточились на изучении белка GAME8, который участвует в синтезе этих веществ, внося небольшое, но важное изменение в их структуру — так называемое C25-положение. Оно может существовать в двух формах, подобных зеркальным отражениям: 25R и 25S.

Изучив различные виды томатов, исследователи выяснили, что изначально фермент GAME8 производил SGAs в форме 25R, которая до сих пор встречается у баклажанов. Однако в процессе эволюции томатов и картофеля ген GAME8 мутировал, что привело к преобладанию формы 25S. Этот сдвиг помог растениям лучше адаптироваться к окружающей среде и усилить защитные механизмы.

Однако на Галапагосских островах ситуация оказалась иной. Местный дикий томат Solanum cheesmaniae демонстрирует признаки возврата к древней форме SGAs — 25R. Особенно ярко эта тенденция выражена у растений, произрастающих на более молодых западных островах архипелага. Генетический анализ показал, что изменения связаны с мутациями в гене GAME8, которые восстанавливают его первоначальную функцию. В некоторых популяциях для этого достаточно одной аминокислотной замены, в других — трех, что почти полностью возвращает фермент к предковому состоянию.

«Это не то, чего мы обычно ожидаем, — заявил ведущий автор исследования, молекулярный биохимист Адам Йозвяк. — Но факты налицо: процесс происходит в реальном времени на вулканических островах».

Распределение химических профилей SGAs среди галапагосских томатов соответствует геологическому возрасту островов. На более старых восточных островах растения производят почти исключительно форму 25S, тогда как на молодых западных преобладает 25R. Это позволяет предположить, что местные условия — состав почвы, климат или наличие определенных травоядных — способствуют возврату к древнему механизму защиты.

Некоторые ученые скептически относятся к идее деволюции, ссылаясь на закон Долло, согласно которому утраченные в ходе эволюции сложные признаки не могут быть восстановлены в прежнем виде. Они считают, что наблюдаемые изменения — это реактивация «спящих» генетических механизмов, а не истинное возрождение утраченных черт. Однако Йозвяк настаивает, что в случае галапагосских томатов речь идет именно о возврате к предковому состоянию.

Эксперименты подтвердили, что мутации в GAME8 действительно приводят к синтезу формы 25R, что доказывает молекулярный механизм этого процесса. Открытие ставит под сомнение традиционное представление об эволюции как о однонаправленном движении к усложнению и специализации. Оно также имеет практическое значение для сельского хозяйства: понимание того, как ферменты контролируют химическую защиту растений, может помочь в выведении более устойчивых к вредителям культур.

Кроме того, исследование заставляет задуматься о том, как другие виды могут использовать аналогичные механизмы для адаптации к быстрым изменениям окружающей среды, включая климатические сдвиги.