Első pillantásra a Földközi-tengerben és a Brit-szigetek hideg vizeiben élő tüskés tengericsillag- populációk látszólag ugyanahhoz a fajhoz tartoznak, jelentős különbségek nélkül. A genomjuk azonban mást mutat: egy tudományos csapat felfedezte, hogy szokatlanul magas számú kromoszóma-inverziót mutatnak , azaz a kromoszóma nagyméretű töredékeit, amelyek egyes egyedeknél "fejjel lefelé" jelennek meg.
Ezek a befektetések a tüskés tengericsillag (Marthasterias glacialis) genomjának 18,6%-át érintik, és úgy tűnik, hogy különböző környezeti feltételekkel kapcsolódnak . A megállapítás arra utal, hogy a genom szerveződése különösen fontos szerepet játszhat egy tengeri fajnak a változatos környezetekhez való alkalmazkodóképességében.
Környezettel összefüggő kromoszómális inverziók
A Doñana Biológiai Állomás (EBD-CSIC) és a Barcelonai Egyetem által vezetett kutatás közel 300 példányt elemzett az Atlanti-óceán északkeleti részének és a Földközi-tenger nyugati részének különböző régióiból. „A legérdekesebb megállapítás az, hogy ezeknek az inverzióknak a variánsai nem véletlenszerűen oszlanak el a vizsgált populációk között, hanem inkább különböző földrajzi régiókhoz kapcsolódnak” – magyarázza Carlos Leiva, a Doñana Biológiai Állomás kutatója. „Sokuk gyakoribb a meleg, sós régiókban, mint például a Földközi-tenger, míg mások hidegebb területekkel, például a Brit-szigetekkel hozhatók összefüggésbe.” Ezeken az inverz régiókon belül olyan géneket találtak, amelyek a termikus stresszre adott válaszhoz, az ozmoregulációhoz, az immunválasszal és a környezeti érzékeléshez kapcsolódnak. A kutatók azonban óvatosságra intenek, mivel ezt a kapcsolatot kísérleti vizsgálatokkal kell majd validálni. Az eredmények mindenesetre arra utalnak, hogy a genom szerveződésének módja különösen fontos lehet annak megértéséhez, hogy egy faj hogyan alkalmazkodik a különböző környezetekhez, a DNS pontmutációi mellett. Ez a mechanizmus különösen releváns lehet a tüskés tengericsillagoknál, egy olyan fajnál, amelynek populációi a nagyon eltérő környezeti jellemzőkkel bíró élőhelyek ellenére is magas szintű kapcsolatot tartanak fenn egymással.
Egy mechanizmus a helyi adaptációk megőrzésére
A megállapítás különösen feltűnő egy, számos tengeri élőlényre jellemző jelenség miatt: lárváik nagy távolságú mobilitása . Bár a kifejlett tengericsillagok mobilitása korlátozottabb, lárváik az óceáni áramlatok hajtják őket, több száz kilométert is megtehetnek. Ez a mozgás elősegíti a genetikai cserét és folyamatosan keveri a populációkat. Elméletileg ez a magas fokú összekapcsoltság akadályozhatja a régiók közötti jelentős adaptív különbségek kialakulását. A tanulmány azonban azt mutatja, hogy a genomnak vannak olyan területei, amelyek képesek elkerülni ezt a genetikai keveredést. Bizonyos régiók sokkal kevésbé rekombinálódnak, vagy „keverednek”, mint a genom többi része, lehetővé téve számukra, hogy elkülönüljenek a populációk között. „Ezek a régiók építőelemekként működnek, amelyek együtt öröklődnek, így megőrzik a gének azon kombinációit, amelyek előnyösek bizonyos környezeti feltételek mellett, hőmérsékleti vagy sótartalombeli különbségekkel” – magyarázza Marta Martín Huete, a Barcelonai Egyetem predoktori kutatója. Ily módon a kromoszóma-inverziók egyfajta mechanizmusként működhetnek, amely lehetővé teszi, hogy bizonyos, egy adott környezetnek kedvező genetikai kombinációk együtt maradjanak, még akkor is, ha jelentős genetikai csere van a populációk között.
Közel 300 tengericsillagot vizsgáltak az Atlanti-óceánon és a Földközi-tengeren
Annak megállapítására, hogy léteznek-e rejtett különbségek a faj genomjában, a tudományos csapat közel 300 Marthasterias glacialis példányból származó mintákat elemzett 19 helyszínről az Atlanti-óceán északkeleti részén és a Földközi-tenger nyugati részén. A minták többek között a Brit-szigetekről, az Azori-szigetekről, az európai atlanti partvidékről és a Földközi-tengerről származtak, lehetővé téve a nagyon eltérő környezeti feltételeknek kitett populációk összehasonlítását. A csapat elemezte a genomban elosztott több ezer markert, és összehasonlította azokat a faj referenciagenomjával. Ez a megközelítés lehetővé tette számukra, hogy azonosítsák a kromoszóma-inverziókkal összhangban lévő régiókat, és tanulmányozzák, hogy ezek az inverziók hogyan oszlanak meg a különböző populációk között. Továbbá a genetikai adatokat kombinálták a hőmérsékletre és a sótartalomra vonatkozó környezeti információkkal, lehetővé téve a kutatók számára annak vizsgálatát, hogy a kromoszóma-inverziók összefüggésben állhatnak-e a helyi adaptációs folyamatokkal. Az eredmény különösen meglepő volt: a genom 18,6%-a mutat ilyen típusú szerkezeti variációt, ami magas arány, és rámutat a kromoszóma-inverziók fontosságára az elemzett populációk megkülönböztetésében.
A tengeri biodiverzitás megőrzésére gyakorolt következmények
A tanulmány azt is feltárja, hogy egy széles körben elterjedt, összekapcsolódó és látszólag homogén populációkkal rendelkező faj jelentős adaptív diverzitást hordozhat genomján belül . Ennek a felfedezésnek következményei vannak a tengeri biodiverzitás megőrzése szempontjából, mivel ugyanazon faj különböző populációi eltérően reagálhatnak olyan jelenségekre, mint az óceán felmelegedése vagy a sótartalom változása. Ennek a genetikai diverzitásnak a megértése különösen fontos az éghajlatváltozás kontextusában, mivel a fajok hőmérséklet- és egyéb környezeti feltételekre való reagálási képessége meghatározhatja túlélésüket és jövőbeli elterjedésüket. Továbbá az eredmények új perspektívát nyújtanak a tengeri biodiverzitás evolúcióját előmozdító mechanizmusokra. A tanulmány azt mutatja, hogy a genom szerkezetében bekövetkező változások ugyanolyan fontosak lehetnek a fajok adaptációjának elősegítésében, mint a DNS specifikus különbségei.
A tüskés tengericsillag, mint modell a klímaváltozás közepette
A következő lépés annak ellenőrzése lesz, hogy az azonosított kromoszóma-inverziók valóban következményekkel járnak-e az egyedek biológiai jellemzőire nézve . „Ezek az eredmények új tanulmányok előtt nyitják meg az utat annak ellenőrzésére, hogy ezek a kromoszóma-inverziók valóban biológiai különbségekké alakulnak-e át az egyedek között, például nagyobb hőtűréssé, a sótartalom változásaival szembeni ellenállássá, a növekedés vagy a szaporodás változásaivá” – magyarázza Carlos Leiva. Ha a jövőbeli kutatások megerősítik, hogy ezek a kromoszóma-inverziók legalább részben meghatározzák a tüskés tengericsillag hőhöz vagy sótartalomhoz való alkalmazkodóképességét, a Marthasterias glacialis modellként szolgálhat annak tanulmányozására, hogy a tengeri fajok hogyan reagálnak az éghajlatváltozás által jellemzett óceánra. Ami a tengeri csillagok tanulmányozásaként indult, az új módszert tárt fel annak megértésére, hogyan fejlődnek a tengeri élőlények, és hogyan tudják fenntartani a helyi alkalmazkodást akkor is, ha populációikat lárváik mozgása köti össze.
A spanyol-francia kutatócsoport – amelyben a Guami Egyetem, a Barcelonai Botanikai Intézet és a Rennes-i Egyetem is részt vett – felfedezése rávilágít arra, hogy a genom szerveződése kulcsfontosságú tényező az evolúcióban . A tüskés tengericsillag 18,6%-os inverziójával kiváló példája annak, hogy a kromoszóma-szerkezet hogyan rejtheti el a meglepő adaptív sokféleséget, értékes támpontokat kínálva annak előrejelzéséhez, hogy a tengeri ökoszisztémák hogyan reagálnak a jövőbeli kihívásokra.