Ученые СПбПУ в составе международного научного коллектива разработали метод, который позволяет расшифровывать демографическую историю вида, анализируя его ДНК. По словам авторов, в отличие от существующих методов их решение может реконструировать многократные обмены генами (путем скрещиваний) между несколькими разными популяциями, что поможет ученым пролить свет на неясные моменты в демографической истории человека. Результаты опубликованы в научном журнале Molecular Biology and Evolution.
Ученые могут восстановить демографическую историю вида не только с помощью археологии, но и геномики, поскольку такая история ”отпечатана” в геноме вида и может быть реконструирована исходя из частот нуклеотидов в генах в популяциях, то есть в группах индивидуумов, занимающих определенную территорию.
За последние 50 лет ученые добились значительных успехов в этом направлении, однако существующие методы имеют ограничения, рассказали исследователи Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), поскольку такие методы не могут реконструировать случаи, когда обмен генами между популяциями происходил многократно и когда в каждом акте переноса участвовали не две, а несколько популяций.Эксперты рассказали, что процесс эволюции и демографическую историю любого вида можно изобразить в виде графа – геометрической фигуры, в узлах которой находятся исторические популяции, а ребра соответствуют взаимосвязям между ними, а также современными популяциями. На таком графе видны события разделения популяций или их смешивания (адмиксии), которые приводят к возникновению новых популяций. По словам ученых, структуру графа иногда можно установить на основе археологических данных, но чаще всего граф восстанавливают математическими методами.
Исследователи СПбПУ, Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, Университета Южной Калифорнии (США) и Университета штата Вермонт (США) разработали метод, способный справляться с адмиксиями сложного типа, чтобы более корректно описывать демографическую историю вида.
По словам разработчиков, программа обладает широким потенциалом применения. Адмиксия структурирует с учетом происхождения характер генетической изменчивости внутри и между популяциями. Без учета этой информации могут возникать ошибки при выводе демографической истории видов, при идентификации генетических мишеней для терапии болезней человека и при предсказании сложных признаков в программах селекции растений и животных.
Авторы программы протестировали ее при реконструкции окультуривания нута, который занимает третье место в мире по производству среди продовольственных бобовых культур.
«
«Согласно археологическим данным, нут был впервые окультурен в Плодородном полумесяце около 10 тыс. лет назад. Однако его последующее распространение, сопровождающееся адаптацией к условиям культивирования, на Ближний Восток, в Южную Азию, Эфиопию и Западное Средиземноморье остается неясным и не может быть реконструировано только на основе археологических и исторических данных», – рассказала заведующая научно-исследовательской лабораторией математической биологии и биоинформатики Физико-механического института СПбПУ Мария Самсонова.
Чтобы расшифровать историю нута, ученые изучили образцы исторических сортов нута из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений, собранные в начале прошлого века под руководством российского генетика Н.И. Вавилова, и проверили комплексные исторические гипотезы о миграции и адмиксии исторических популяций нута внутри и между основными регионами возделывания.
Нут имеет два рыночных типа: «дези» (мелкие темные семена) и «кабули» (крупные желтые семена), географическое происхождение которых является предметом споров. Генетически можно проследить историю эфиопского нута до предковых популяций из Турции, Ливана или Индии, и в каждом регионе «кабули» могли смешиваться с местными «дези».
Основываясь на лингвистических данных, ученые предполагают, что нут «кабули» возник в Центральной Азии и назван по имени афганского города Кабула. С другой стороны, есть версия, что «кабули» появился в современной Турции (после «дези»), поскольку нут «кабули» распространен в соседних с Турцией регионах и долгое время считался растением, принесенным из Индии и Эфиопии уже в современности.
«Используя разработанные модели и методы, мы показали, что эфиопские популяции нута имеют в качестве предковых исторические популяции нута из Индии и Ближнего Востока. Это позволяет предположить наличие морского пути из Южной Азии в Эфиопию. Что касается происхождения нута «кабули», нами получены существенные доказательства его происхождения из Турции, а не из Центральной Азии», – пояснила Самсонова.
СПбПУ – участник программы государственной поддержки университетов РФ «Приоритет-2030». Работа поддержана грантом Российского научного фонда №22-46-02004.
