Анализ растительной ДНК донных отложений высокогорного алтайского озера Балыктукель позволил получить детальную информацию о древнем фиторазнообразии. Российские ученые обнаружили в три раза больше таксонов высших растений, чем при применении стандартных микропалеонтологических методов. Кроме того, оказалось, что доминирующим видом на этой территории была лиственница, а не сосна, как было ранее выявлено при исследовании ископаемой пыльцы.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. Данные последних десятилетий показывают, что рост населения планеты, значительное увеличение потребления продовольствия и энергии, изменение климата и другие экологические проблемы нарушают природные экосистемы и приводят к снижению биоразнообразия. В основном эти данные включают в себя анализ последних 200 лет, то есть антропоценовый период, но для лучшего понимания изменчивости окружающей среды нужно больше информации. Поэтому в новое исследование ученые Института археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск) с коллегами включили весь голоценовый период — от сегодняшнего дня до 11,7 тысяч лет назад.
Обычно для изучения разнообразия растений прошлого проводят количественный анализ ископаемой пыльцы. Этот метод ограничен тем, что пыльца не очень хорошо сохраняется, и некоторые различия между видами можно упустить или ошибочно оценить ареал обитания: дерево росло на какой-то территории, но, если там не сохранилась его пыльца, ученые могут никогда не узнать об этом. Также играет роль то, что одни растения производят много пыльцы, а другие — мало. В своем исследовании сибирские ученые с китайскими и немецкими коллегами вместе с анализом пыльцы применили генетическое тестирование ископаемой ДНК. Этот метод называется метабаркодингом, а сама ископаемая ДНК — седиментационной ДНК (седаДНК), которая обнаруживается в осадках древних пород. Этот анализ очень информативен: к примеру, именно такой анализ ДНК, взятой из человеческих останков, позволил выделить новую группу древних людей — денисовцев.
С помощью метода метабаркодинга растительной седиментационной ДНК авторы изучили донные отложения высокогорного озера Балыктукель из самой глубокой точки (23,9 метра), расположенного в российском Алтае. Так удалось получить детальную информацию о фиторазнообразии в этом месте 7000 лет назад. Озеро — это большая воронка, куда сносятся пыльца и прочие минеральные и органические мелкие частицы со всего водосбора, оседают и захораниваются в холоде без доступа кислорода, сохраняясь на долгие года.
Анализ седаДНК позволил обнаружить в три раза больше видов растений, чем при применении стандартных, менее точных микропалеонтологических методов. В частности, ученые установили, что господствующим видом растений была не сосна, а лиственница сибирская, которая до сих пор характерна для лесов в горах Алтая. Пыльца лиственницы плохо сохраняется, и ее очень трудно обнаружить стандартными методами. Данные об этом растении чрезвычайно важны, потому что оно очень чутко реагирует на изменения климата и служит их индикатором: при потеплениях лиственница начинает распространяться на север, при похолодании — отступает к югу. По тому, как мигрирует граница лиственничного леса, можно определять, в какие периоды в древности наступало потепление или похолодание.
«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 использовать для целей инженерной биологии. В ДНК древних растений и микроорганизмов содержатся варианты генов, которых нет у современных представителей флоры и фауны. Такие участки древних ДНК — к примеру, отвечающие за кодирование полезных белков, ферментов, — можно использовать в сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генной инженерии», — комментирует Наталия Рудая, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор географических наук, старший научный сотрудник Института археологии и этнографии СО РАН.
Участие в работе приняли сотрудники PaleoData Lab, Института археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск); Биологического института Томского государственного университета (Томск); Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань); Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука СО РАН (Новосибирск); Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена (Санкт-Петербург); Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. (Якутск); Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (Новосибирск) со своими китайскими и немецкими коллегами.