В каждой экосистеме местные растения сталкиваются с теми или иными ограничениями, и очень часто они связаны с балансом питательных веществ. Их гомеостаз имеет решающее значение для роста растений и их способности выжить в данной местности. И, когда растение попадает в среду, бедную питательными веществами, оно вырабатывает и закрепляет генетические особенности, которые позволяют ему адаптироваться. Однако, поскольку геном растения огромен и содержит много информации, ученым бывает сложно найти конкретные гены, отвечающие за это.

Международная группа исследователей под руководством Института исследований в области селекции растений им. Макса Планка изучила генетические особенности модельного растения, освоившего подножие вулкана на острове Фогу. Почвы этой местности отличаются низким содержанием марганца. И, хотя в контексте питания растений это вещество относят к микроэлементам, он все еще играет роль в физиологических процессах. Он участвует в окислительно-восстановительных реакциях, а также входит в состав жизненно важных ферментов.

В качестве объекта изучения послужили образцы Arabidopsis thaliana, произрастающие в нестандартных в химическом отношении почвах у подножия действующего стратовулкана на Фогу, одного из островов Кабо-Верде. Когда растения пересадили в садовую почву, уровень марганца в их листьях повысился, что указывало на их повышенную способность усваивать его из почвы. С помощью методов составления генетической карты и эволюционного анализа исследователям удалось понять, какие эволюционные изменения помогли растению адаптироваться к недостатку марганца.

Первое изменение связано с нарушением гена транспорта железа IRT1. Это уникальный случай для дикой природы, ведь во всех остальных встречающихся в мире популяций Arabidopsis этот ген функционирует без нарушений. Кроме того, отмечается, что мутация достаточно быстро закрепилась в островной популяции. Используя технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, исследователи поняли, что мутированный вариант гена усиливает накопление марганца, хотя за это и приходится платить снижением уровня железа.

Другая мутация связана с дупликациями гена транспорта металлов NRAMP1. Из-за этих дупликаций почти все особи Arabidopsis на острове содержат в себе несколько копий гена. Эта мутация усиливает действие гена, увеличивая транспорт железа и помогая компенсировать нарушения в работе IRT1

По словам исследователей, результаты наблюдений представляют собой наглядный пример того, как самые простые генетические изменения могут помочь адаптироваться растениям к нестандартным условиям.