Биологи Томского государственного университета исследуют прошлое Западной Сибири с помощью метода метабаркодинга ДНК – новейшей генетической технологии, которая позволяет получать в десятки раз больше информации о биоразнообразии Земли, чем обычные микропалеонтологические методы. Анализ экологической ДНК также поможет установить, какие климатические трансформации происходили на территории макрорегиона, и прогнозировать дальнейшие изменения климата. Данные о генетической изменчивости растений и микроорганизмов прошлого в перспективе можно будет использовать для создания новых биотехнологий.
– Метабаркодинг позволяет одновременно идентифицировать нескольких таксонов в одном образце, – поясняет руководитель проекта, сотрудница Биологического института ТГУ, заведующая лабораторией PaleoData Института археологии и этнографии СО РАН, Наталия Рудая. – Можно извлекать информацию об ископаемой (седиментационной) ДНК различных организмов, «запечатанную» в палеоархивах, например, в озерных, морских и наземных отложениях.
В рамках проекта, реализованного на базе БИ ТГУ, ученые завершили анализ проб, отобранных на озере Балыктукель в Горном Алтае. Радиоуглеродное датирование 2,5-метрового керна донных отложений озера позволило определить возраст осадка – 7000 лет. Анализ седиментационной ДНК выявил 118 таксонов высших наземных растений и 19 таксонов водных растений.
Метабаркодинг открывает для исследователей гораздо больше возможностей, нежели традиционные методы, применяемые для таксономического анализа и реконструкции флоры и фауны прошлого. Так, широко используемый палинологический метод (исследование пыльцы), который дает большой объем данных по одним растениям, может быть недостаточно информативен в отношении других.
– Такая ситуация, в частности, с лиственницей, которая является древесной породой, маркирующей границу леса в горах Алтая и на севере Западной Сибири, – говорит Наталия Рудая. – Пыльца лиственницы плохо сохраняется в отложениях и ее трудно обнаружить палинологическим методом. Но нам важны данные об этом растении, потому что оно очень чутко реагирует на изменения климата и служит их индикатором. При потеплениях лиственница начинает распространяться на север. По тому, как мигрирует граница лиственничного леса, мы можем определять, в какие периоды наступало потепление или похолодание.
Анализ седаДНК из образцов, взятых в Горном Алтае, показал: во временном отрезке, в котором формировались отложения, самым теплым был период 7000–4000 лет назад. Тогда же растительное разнообразие достигало максимума. Этот период совпадает с оптимумом голоцена. Затем биоразнообразие падает, но в последние десятки лет вновь начинает увеличиваться, что в совокупности с другими факторами может говорить о потеплении.
Наряду с полученными новыми данными одним из результатов проекта является то, что технология метабаркодинга седаДНК была поставлена на базе лаборатории экологии, генетики и охраны окружающей среды «Экоген» БИ ТГУ. Это имеет большое значение для дальнейшего развития исследований, поскольку в настоящее время в России не существует специализированных лабораторий для работы с седиментационной ДНК.
Анализ седаДНК животных и растений из датированных озерных кернов дает возможность установить временные рамки вымирания отдельных таксонов или инвазии чужеродных видов. Если проект получит продолжение при поддержке программы «Приоритет 2030», ученые ТГУ смогут исследовать образцы из других точек Западной Сибири, например, зон, где происходит таяние вечной мерзлоты, и получить новые фундаментальные данные, которые имеют большое практическое значение.
– Информация, полученная при помощи анализа седаДНК в ходе разных исследований по всему миру, собирается в большие международные базы. Это уникальный палеогенетический ресурс, который в перспективе можно и использовать для целей инженерной биологии, – говорит заведующий кафедрой генетики и клеточной биологии БИ ТГУ Глеб Артёмов. – Так, в ДНК древних растений и микроорганизмов содержатся варианты изменчивости, которых нет у современных представителей флоры и фауны. Такие участки древних ДНК, к примеру, отвечающих за кодирование полезных белков, ферментов, можно использовать в сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генной инженерии.