Na prvi pogled, populacije bodljikavih morskih zvijezda koje nastanjuju Mediteran i one koje žive u hladnim vodama Britanskih ostrva izgledaju kao da pripadaju istoj vrsti bez većih razlika. Međutim, njihov genom priča drugačiju priču: naučni tim je otkrio da pokazuju neuobičajeno veliki broj hromosomskih inverzija , velikih fragmenata hromosoma koji se kod nekih jedinki pojavljuju "naopačke".
Ova ulaganja utiču na 18,6% genoma bodljikave morske zvijezde (Marthasterias glacialis) i čini se da su povezana s različitim uvjetima okoline . Ovo otkriće sugerira da organizacija genoma može igrati posebno važnu ulogu u sposobnosti morskih vrsta da se prilagode različitim okruženjima.
Hromozomske inverzije povezane s okolinom
Istraživanje, koje su vodili Biološka stanica Doñana (EBD-CSIC) i Univerzitet u Barceloni, analiziralo je gotovo 300 primjeraka iz različitih regija sjeveroistočnog Atlantika i zapadnog Mediterana. "Najzanimljiviji nalaz je da varijante ovih inverzija nisu nasumično raspoređene među proučavanim populacijama, već se čini da su povezane s različitim geografskim regijama", objašnjava Carlos Leiva, istraživač na Biološkoj stanici Doñana. "Mnoge od njih su češće u toplim, slanim regijama poput Mediterana, dok se druge čine povezanima s hladnijim područjima, poput Britanskih otoka." Unutar ovih invertiranih regija pronađeni su geni povezani s odgovorom na termalni stres, osmoregulacijom, imunološkim odgovorom i percepcijom okoline. Međutim, istraživači upozoravaju da će ovaj odnos trebati potvrditi eksperimentalnim studijama. Rezultati, u svakom slučaju, sugeriraju da način na koji je genom organiziran može biti posebno važan za razumijevanje kako se vrsta prilagođava različitim okruženjima, pored tačkastih mutacija u DNK. Ovaj mehanizam bi mogao biti posebno relevantan kod bodljikave morske zvijezde, vrste čije populacije održavaju visok nivo međusobne povezanosti uprkos životu u okruženjima s vrlo različitim karakteristikama.
Mehanizam za očuvanje lokalnih adaptacija
Ovo otkriće je posebno upečatljivo zbog fenomena uobičajenog kod mnogih morskih organizama: mobilnosti njihovih larvi na velike udaljenosti . Iako odrasle morske zvijezde imaju ograničeniju mobilnost, njihove larve mogu putovati stotinama kilometara pokretane okeanskim strujama. Ovo kretanje olakšava genetsku razmjenu i kontinuirano miješa populacije. U teoriji, ovaj visok stepen međusobne povezanosti trebao bi ometati pojavu značajnih adaptivnih razlika između regija. Međutim, studija pokazuje da postoje područja genoma koja mogu izbjeći ovo genetsko miješanje. Određene regije se rekombinuju, ili "miješaju", mnogo manje od ostatka genoma, što im omogućava da ostanu različite između populacija. "Ove regije djeluju kao gradivni blokovi koji se nasljeđuju zajedno, čime se čuvaju kombinacije gena korisnih za život u specifičnim uslovima okoline, s razlikama u temperaturi ili salinitetu", objašnjava Marta Martín Huete, istraživačica na predoktorskom studiju na Univerzitetu u Barceloni. Na taj način, hromosomske inverzije mogle bi funkcionirati kao vrsta mehanizma koji omogućava da se određene genetske kombinacije povoljne za određeno okruženje održe zajedno, čak i kada postoji značajna genetska razmjena između populacija.
Gotovo 300 morskih zvijezda proučeno je u Atlantiku i Mediteranu
Kako bi utvrdili da li postoje skrivene razlike u genomu vrste, naučni tim je analizirao uzorke od skoro 300 primjeraka Marthasterias glacialis sa 19 lokacija širom sjeveroistočnog Atlantika i zapadnog Mediterana. Uzorci su došli iz regija koje uključuju Britanska ostrva, Azore, evropsku atlantsku obalu i Mediteran, što je omogućilo poređenje populacija izloženih vrlo različitim uslovima okoline. Tim je analizirao hiljade markera raspoređenih po genomu i uporedio ih sa referentnim genomom za vrstu. Ovaj pristup im je omogućio da identifikuju regije koje su u skladu sa hromosomskim inverzijama i prouče kako su ove inverzije raspoređene među različitim populacijama. Nadalje, genetski podaci su kombinovani sa informacijama o okolini o temperaturi i salinitetu, što je omogućilo istraživačima da istraže da li bi hromosomske inverzije mogle biti povezane sa lokalnim procesima adaptacije. Rezultat je bio posebno upečatljiv: 18,6% genoma pokazuje ovu vrstu strukturnih varijacija, visok udio koji ukazuje na važnost hromosomskih inverzija u diferencijaciji analiziranih populacija.
Implikacije za očuvanje morske biodiverznosti
Studija također otkriva da široko rasprostranjena vrsta s povezanim i naizgled homogenim populacijama može sadržavati značajnu adaptivnu raznolikost unutar svog genoma . Ovo otkriće ima implikacije za očuvanje morske biološke raznolikosti, jer različite populacije iste vrste mogu različito reagirati na pojave poput zagrijavanja oceana ili promjena saliniteta. Razumijevanje ove genetske raznolikosti posebno je relevantno u kontekstu klimatskih promjena, jer sposobnost vrsta da reaguju na promjene temperature i drugih uvjeta okoline može odrediti njihov opstanak i buduću distribuciju. Nadalje, rezultati pružaju novu perspektivu o mehanizmima koji pokreću evoluciju morske biološke raznolikosti. Studija pokazuje da promjene u strukturi genoma mogu biti jednako važne kao i specifične razlike u DNK u promoviranju adaptacije vrsta.
Bodljikava morska zvijezda kao model u suočavanju s klimatskim promjenama
Sljedeći korak bit će provjeriti da li identificirane hromosomske inverzije zaista imaju posljedice na biološke karakteristike jedinki. "Ovi rezultati otvaraju vrata novim studijama kako bi se provjerilo da li se ove hromosomske inverzije zapravo prevode u biološke razlike između jedinki, kao što su veća tolerancija na toplinu, otpornost na promjene saliniteta, varijacije u rastu ili reprodukciji", objašnjava Carlos Leiva. Ako buduća istraživanja potvrde da ove hromosomske inverzije određuju, barem djelimično, sposobnost bodljikave morske zvijezde da se prilagodi toplini ili salinitetu, Marthasterias glacialis bi mogao postati model za proučavanje kako morske vrste mogu reagirati na okean obilježen klimatskim promjenama. Ono što je započelo kao studija morske zvijezde tako je otkrilo novi način razumijevanja kako se morski organizmi razvijaju i kako mogu održati lokalne adaptacije čak i kada su njihove populacije povezane kretanjem njihovih larvi.
Otkriće špansko-francuskog tima, koji je također uključivao Univerzitet Guam, Botanički institut u Barceloni i Univerzitet u Rennesu, naglašava da je organizacija genoma ključni faktor u evoluciji . Bodljikava morska zvijezda, sa svojih 18,6% inverzija, postaje odličan primjer kako hromosomska struktura može prikriti iznenađujuću adaptivnu raznolikost, nudeći vrijedne tragove za predviđanje kako će morski ekosistemi reagovati na buduće izazove.