Na prvi pogled, populacije bodljikavih morskih zvijezda koje nastanjuju Sredozemno more i one koje žive u hladnim vodama Britanskog otočja pripadaju istoj vrsti bez većih razlika. Međutim, njihov genom priča drugačiju priču: znanstveni tim otkrio je da pokazuju neobično velik broj kromosomskih inverzija , velikih fragmenata kromosoma koji se kod nekih jedinki pojavljuju "naopačke".
Ova ulaganja utječu na 18,6% genoma bodljikave morske zvijezde (Marthasterias glacialis) i čini se da su povezana s različitim uvjetima okoliša . Nalaz sugerira da organizacija genoma može igrati posebno važnu ulogu u sposobnosti morskih vrsta da se prilagode različitim okolišima.
Kromosomske inverzije povezane s okolišem
Istraživanje, koje su vodili Biološka postaja Doñana (EBD-CSIC) i Sveučilište 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 postaji Doñana. „Mnoge od njih su češće u toplim, slanim regijama poput Mediterana, dok se druge čine povezanima s hladnijim područjima, poput Britanskog otočja.“ Unutar tih invertiranih regija pronađeni su geni povezani s odgovorom na toplinski stres, osmoregulacijom, imunološkim odgovorom i percepcijom okoliša. Međutim, istraživači upozoravaju da će se taj odnos morati potvrditi eksperimentalnim studijama. Rezultati u svakom slučaju sugeriraju da bi način na koji je genom organiziran mogao biti posebno važan za razumijevanje kako se vrsta prilagođava različitim okruženjima, uz točkaste mutacije u DNK. Ovaj mehanizam mogao bi biti posebno relevantan kod bodljikave morske zvijezde, vrste čije populacije održavaju visoku razinu međusobne povezanosti unatoč životu u okruženjima s vrlo različitim karakteristikama.
Mehanizam za očuvanje lokalnih prilagodbi
Ovo otkriće je posebno upečatljivo zbog fenomena uobičajenog kod mnogih morskih organizama: mobilnosti njihovih ličinki na velike udaljenosti . Iako odrasle morske zvijezde imaju ograničeniju mobilnost, njihove ličinke mogu putovati stotinama kilometara pokretane oceanskim strujama. Ovo kretanje olakšava genetsku razmjenu i kontinuirano miješa populacije. U teoriji, ovaj visoki stupanj međusobne povezanosti trebao bi spriječiti pojavu značajnih adaptivnih razlika između regija. Međutim, studija pokazuje da postoje područja genoma koja mogu izbjeći ovo genetsko miješanje. Određene regije se rekombiniraju ili "miješaju" mnogo manje od ostatka genoma, što im omogućuje da ostanu različite između populacija. "Ove regije djeluju kao građevni blokovi koji se nasljeđuju zajedno, čime se čuvaju kombinacije gena korisnih za život u specifičnim uvjetima okoliša, s razlikama u temperaturi ili slanosti", objašnjava Marta Martín Huete, istraživačica preddoktorandica na Sveučilištu u Barceloni. Na taj način, kromosomske inverzije mogle bi funkcionirati kao svojevrsni mehanizam koji omogućuje da se određene genetske kombinacije povoljne za određeno okruženje održe zajedno, čak i kada postoji značajna genetska razmjena između populacija.
Gotovo 300 morskih zvijezda proučavano je u Atlantiku i Sredozemnom moru
Kako bi utvrdili postoje li skrivene razlike u genomu vrste, znanstveni tim analizirao je uzorke gotovo 300 primjeraka Marthasterias glacialis s 19 lokacija diljem sjeveroistočnog Atlantika i zapadnog Mediterana. Uzorci su došli iz regija koje uključuju Britansko otočje, Azore, europsku atlantsku obalu i Mediteran, što je omogućilo usporedbu populacija izloženih vrlo različitim uvjetima okoliša. Tim je analizirao tisuće markera raspoređenih po cijelom genomu i usporedio ih s referentnim genomom za vrstu. Ovaj pristup omogućio im je identificiranje regija koje su u skladu s kromosomskim inverzijama i proučavanje kako su te inverzije raspoređene među različitim populacijama. Nadalje, genetski podaci kombinirani su s informacijama o okolišu o temperaturi i slanosti, što je omogućilo istraživačima da istraže jesu li kromosomske inverzije možda povezane s lokalnim procesima prilagodbe. Rezultat je bio posebno upečatljiv: 18,6% genoma pokazuje ovu vrstu strukturnih varijacija, visok udio koji ukazuje na važnost kromosomskih inverzija u diferencijaciji analiziranih populacija.
Implikacije za očuvanje morske bioraznolikosti
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 bioraznolikosti, budući da različite populacije iste vrste mogu različito reagirati na pojave poput zagrijavanja oceana ili promjena slanosti. Razumijevanje ove genetske raznolikosti posebno je relevantno u kontekstu klimatskih promjena, jer sposobnost vrsta da reagiraju na promjene temperature i drugih uvjeta okoliša može odrediti njihov opstanak i buduću rasprostranjenost. Nadalje, rezultati pružaju novu perspektivu o mehanizmima koji potiču evoluciju morske bioraznolikosti. Studija pokazuje da promjene u strukturi genoma mogu biti jednako važne kao i specifične razlike u DNK u promicanju prilagodbe vrsta.
Bodljikava morska zvijezda kao model u suočavanju s klimatskim promjenama
Sljedeći korak bit će provjeriti imaju li identificirane kromosomske inverzije doista posljedice na biološke karakteristike jedinki. „Ovi rezultati otvaraju vrata novim studijama kako bi se provjerilo prenose li se ove kromosomske inverzije doista u biološke razlike između jedinki, poput veće tolerancije na toplinu, otpornosti na promjene slanosti, varijacija u rastu ili reprodukciji“, objašnjava Carlos Leiva. Ako buduća istraživanja potvrde da ove kromosomske inverzije određuju, barem djelomično, sposobnost bodljikave morske zvijezde da se prilagodi toplini ili slanosti, Marthasterias glacialis mogao bi postati model za proučavanje kako morske vrste mogu reagirati na ocean obilježen klimatskim promjenama. Ono što je započelo kao proučavanje morske zvijezde tako je otkrilo novi način razumijevanja kako se morski organizmi razvijaju i kako mogu održati lokalne prilagodbe čak i kada su njihove populacije povezane kretanjem njihovih ličinki.
Otkriće španjolsko-francuskog tima, koji je uključivao i Sveučilište Guam, Botanički institut u Barceloni i Sveučilište u Rennesu, naglašava da je organizacija genoma ključni faktor u evoluciji . Bodljikava morska zvijezda, sa svojih 18,6% inverzija, postaje glavni primjer kako kromosomska struktura može prikriti iznenađujuću adaptivnu raznolikost, nudeći vrijedne tragove za predviđanje kako će morski ekosustavi reagirati na buduće izazove.