Esmapilgul näivad Vahemeres ja Briti saarte külmades vetes elavad meritähepopulatsioonid kuuluvat samasse liiki ilma suuremate erinevusteta. Nende genoom räägib aga teistsugust lugu: teadusrühm on avastanud, et neil esineb ebatavaliselt palju kromosoomide inversioone – suuri kromosoomifragmente, mis mõnedel isenditel paistavad "tagurpidi".
Need investeeringud mõjutavad 18,6% meritähe (Marthasterias glacialis) genoomist ja näivad olevat seotud erinevate keskkonnatingimustega . See leid viitab sellele, et genoomi organiseeritus võib mängida eriti olulist rolli mereliikide võimes kohaneda mitmekesiste keskkondadega.
Keskkonnaga seotud kromosomaalsed inversioonid
Doñana bioloogilise jaama (EBD-CSIC) ja Barcelona ülikooli juhitud uuringus analüüsiti ligi 300 isendit Kirde-Atlandi ja Lääne-Vahemere eri piirkondadest. „Kõige huvitavam on see, et nende inversioonide variandid ei ole uuritud populatsioonide vahel juhuslikult jaotunud, vaid näivad olevat seotud erinevate geograafiliste piirkondadega,“ selgitab Doñana bioloogilise jaama teadlane Carlos Leiva. „Paljud neist on sagedasemad soojades, soolastes piirkondades, näiteks Vahemeres, samas kui teised näivad olevat seotud külmemate piirkondadega, näiteks Briti saartega.“ Nendes inversioonipiirkondades leiti geene, mis on seotud termilise stressi, osmoregulatsiooni, immuunvastuse ja keskkonnatajuga. Teadlased hoiatavad aga, et seda seost tuleb valideerida eksperimentaalsete uuringute abil. Tulemused viitavad igal juhul sellele, et lisaks DNA punktmutatsioonidele võib genoomi korralduse viis olla eriti oluline, et mõista, kuidas liik kohaneb erinevate keskkondadega. See mehhanism võib olla eriti oluline meritähe puhul, kelle populatsioonid säilitavad üksteisega kõrgetasemelise seose, hoolimata sellest, et elavad väga erinevate omadustega keskkondades.
Kohalike kohanduste säilitamise mehhanism
See leid on eriti rabav paljudele mereorganismidele omase nähtuse tõttu: vastsete pikamaa-liikuvus . Kuigi täiskasvanud meritähe liikuvus on piiratum, suudavad nende vastsed ookeanihoovuste abil läbida sadu kilomeetreid. See liikumine hõlbustab geneetilist vahetust ja segab pidevalt populatsioone. Teoreetiliselt peaks see suur omavaheline seotus takistama oluliste adaptiivsete erinevuste teket piirkondade vahel. Uuring näitab aga, et genoomis on piirkondi, mis suudavad sellest geneetilisest segunemisest pääseda. Teatud piirkonnad rekombineeruvad ehk "segunevad" palju vähem kui ülejäänud genoom, võimaldades neil populatsioonide vahel erineda. "Need piirkonnad toimivad ehitusplokkidena, mis päranduvad koos, säilitades seeläbi geenide kombinatsioone, mis on kasulikud elamiseks konkreetsetes keskkonnatingimustes, temperatuuri või soolsuse erinevustega," selgitab Marta Martín Huete, Barcelona ülikooli eeldoktor. Sel viisil võivad kromosoomide inversioonid toimida omamoodi mehhanismina, mis võimaldab teatud geneetilistel kombinatsioonidel, mis on soodsad konkreetsele keskkonnale, koos püsida isegi siis, kui populatsioonide vahel toimub märkimisväärne geneetiline vahetus.
Atlandi ookeanis ja Vahemeres uuriti ligi 300 meritähte
Et teha kindlaks, kas liigi genoomis esineb varjatud erinevusi, analüüsis teadusrühm ligi 300 Marthasterias glacialise isendi proove 19 asukohast Atlandi ookeani kirdeosas ja Vahemere lääneosas. Proovid pärinesid piirkondadest, sealhulgas Briti saartelt, Assooridelt, Euroopa Atlandi ookeani rannikult ja Vahemerelt, mis võimaldas võrrelda väga erinevates keskkonnatingimustes elavaid populatsioone. Meeskond analüüsis tuhandeid genoomis jaotunud markereid ja võrdles neid liigi võrdlusgenoomiga. See lähenemisviis võimaldas neil tuvastada kromosoomide inversioonidega kooskõlas olevaid piirkondi ja uurida, kuidas need inversioonid eri populatsioonide vahel jaotusid. Lisaks kombineeriti geneetilised andmed keskkonnateabega temperatuuri ja soolsuse kohta, mis võimaldas teadlastel uurida, kas kromosoomide inversioonid võivad olla seotud kohalike kohanemisprotsessidega. Tulemus oli eriti silmatorkav: 18,6% genoomist näitab seda tüüpi struktuurilist varieeruvust, mis on suur osakaal, mis viitab kromosoomide inversioonide olulisusele analüüsitud populatsioonide eristamisel.
Mõju mere bioloogilise mitmekesisuse kaitsele
Uuring näitab ka, et laialt levinud liik, millel on omavahel seotud ja pealtnäha homogeensed populatsioonid, võib oma genoomis kanda märkimisväärset adaptiivset mitmekesisust . Sellel avastusel on mõju mere bioloogilise mitmekesisuse säilitamisele, kuna sama liigi erinevad populatsioonid võivad reageerida erinevalt sellistele nähtustele nagu ookeani soojenemine või soolsuse muutused. Selle geneetilise mitmekesisuse mõistmine on eriti oluline kliimamuutuste kontekstis, sest liikide võime reageerida temperatuuri ja muude keskkonnatingimuste muutustele võib määrata nende ellujäämise ja edasise leviku. Lisaks pakuvad tulemused uue vaatenurga mere bioloogilise mitmekesisuse evolutsiooni mõjutavatele mehhanismidele. Uuring näitab, et genoomi struktuuri muutused võivad liikide kohanemise edendamisel olla sama olulised kui spetsiifilised erinevused DNA-s.
Kääbusmeritäht kui eeskuju kliimamuutuste ees
Järgmine samm on kontrollida, kas tuvastatud kromosomaalsed inversioonid mõjutavad tegelikult isendite bioloogilisi omadusi. „Need tulemused avavad ukse uutele uuringutele, et kontrollida, kas need kromosomaalsed inversioonid avalduvad tegelikult isenditevahelistes bioloogilistes erinevustes, näiteks suuremas kuumataluvuses, soolsuse muutustele vastupidavuses, kasvu või paljunemise varieeruvuses,“ selgitab Carlos Leiva. Kui tulevased uuringud kinnitavad, et need kromosomaalsed inversioonid määravad vähemalt osaliselt meritähe võime kohaneda kuumuse või soolsusega, võib Marthasterias glacialis saada mudeliks, mille abil uurida, kuidas mereliigid saavad reageerida kliimamuutustega mõjutatud ookeanile. See, mis algas meritähe uurimisena, on seega paljastanud uue viisi, kuidas mõista, kuidas mereorganismid arenevad ja kuidas nad suudavad säilitada kohalikke kohanemisi isegi siis, kui nende populatsioonid on vastsete liikumise kaudu ühendatud.
Hispaania-Prantsuse meeskonna, kuhu kuulusid ka Guami ülikool, Barcelona botaanikainstituut ja Rennes'i ülikool, avastus rõhutab, et genoomi organiseeritus on evolutsiooni võtmetegur . 18,6% inversiooniga meritäht on suurepärane näide sellest, kuidas kromosoomide struktuur võib varjata üllatavat adaptiivset mitmekesisust, pakkudes väärtuslikke vihjeid selle kohta, kuidas mere ökosüsteemid tulevastele väljakutsetele reageerivad.