Na prvý pohľad sa zdá, že populácie hviezdic obyčajných obývajúcich Stredozemné more a tie, ktoré žijú v studených vodách Britských ostrovov, patria k rovnakému druhu bez väčších rozdielov. Ich genóm však hovorí niečo iné: vedecký tím zistil, že vykazujú nezvyčajne vysoký počet chromozómových inverzií , veľkých fragmentov chromozómov, ktoré sa u niektorých jedincov javia ako „hore nohami“.
Tieto investície ovplyvňujú 18,6 % genómu hviezdice ostnatej (Marthasterias glacialis) a zdá sa, že súvisia s rôznymi podmienkami prostredia . Zistenie naznačuje, že organizácia genómu môže zohrávať obzvlášť dôležitú úlohu v schopnosti morských druhov prispôsobiť sa rozmanitému prostrediu.
Chromozomálne inverzie súvisiace s prostredím
Výskum, ktorý viedla Biologická stanica Doñana (EBD-CSIC) a Univerzita v Barcelone, analyzoval takmer 300 exemplárov z rôznych oblastí severovýchodného Atlantiku a západného Stredomoria. „Najzaujímavejším zistením je, že varianty týchto inverzií nie sú medzi študovanými populáciami náhodne rozložené, ale skôr sa zdajú byť spojené s rôznymi geografickými oblasťami,“ vysvetľuje Carlos Leiva, výskumník na Biologickej stanici Doñana. „Mnohé z nich sú častejšie v teplých, slaných oblastiach, ako je Stredomorie, zatiaľ čo iné sa zdajú byť spojené s chladnejšími oblasťami, ako sú Britské ostrovy.“ V týchto invertovaných oblastiach sa našli gény súvisiace s reakciou na tepelný stres, osmoreguláciou, imunitnou odpoveďou a vnímaním prostredia. Výskumníci však upozorňujú, že tento vzťah bude potrebné overiť experimentálnymi štúdiami. Výsledky v každom prípade naznačujú, že spôsob, akým je genóm organizovaný, môže byť obzvlášť dôležitý pre pochopenie toho, ako sa druh prispôsobuje rôznym prostrediam, okrem bodových mutácií v DNA. Tento mechanizmus by mohol byť obzvlášť relevantný u hviezdice ostnatej, druhu, ktorého populácie si udržiavajú vysokú úroveň vzájomného prepojenia napriek tomu, že žijú v prostrediach s veľmi odlišnými charakteristikami.
Mechanizmus na zachovanie lokálnych adaptácií
Toto zistenie je obzvlášť pozoruhodné kvôli javu bežnému u mnohých morských organizmov: mobilite ich lariev na dlhé vzdialenosti . Hoci dospelé hviezdice majú obmedzenejšiu mobilitu, ich larvy môžu cestovať stovky kilometrov poháňané oceánskymi prúdmi. Tento pohyb uľahčuje genetickú výmenu a neustále mieša populácie. Teoreticky by tento vysoký stupeň prepojenia mal brániť vzniku významných adaptačných rozdielov medzi regiónmi. Štúdia však ukazuje, že existujú oblasti genómu, ktoré sú schopné uniknúť tomuto genetickému miešaniu. Určité oblasti sa rekombinujú alebo „miešajú“ oveľa menej ako zvyšok genómu, čo im umožňuje zostať odlišné medzi populáciami. „Tieto oblasti fungujú ako stavebné bloky, ktoré sa dedia spoločne, čím sa zachovávajú kombinácie génov prospešných pre život v špecifických podmienkach prostredia s rozdielmi v teplote alebo slanosti,“ vysvetľuje Marta Martín Huete, preddoktorandská výskumníčka na Univerzite v Barcelone. Týmto spôsobom by chromozomálne inverzie mohli fungovať ako druh mechanizmu, ktorý umožňuje udržať pohromade určité genetické kombinácie priaznivé pre špecifické prostredie, a to aj v prípade značnej genetickej výmeny medzi populáciami.
V Atlantickom oceáne a Stredozemnom mori študovali takmer 300 hviezdic
Aby vedecký tím zistil, či v genóme tohto druhu existujú skryté rozdiely, analyzoval vzorky z takmer 300 exemplárov druhu Marthasterias glacialis z 19 lokalít v severovýchodnom Atlantiku a západnom Stredozemnom mori. Vzorky pochádzali z oblastí vrátane Britských ostrovov, Azorských ostrovov, európskeho pobrežia Atlantiku a Stredozemného mora, čo umožnilo porovnanie populácií vystavených veľmi odlišným environmentálnym podmienkam. Tím analyzoval tisíce markerov rozmiestnených v celom genóme a porovnal ich s referenčným genómom pre daný druh. Tento prístup im umožnil identifikovať oblasti zodpovedajúce chromozómovým inverziám a študovať, ako boli tieto inverzie rozložené medzi rôznymi populáciami. Okrem toho boli genetické údaje kombinované s informáciami o prostredí, ako je teplota a slanosť, čo umožnilo výskumníkom preskúmať, či chromozómové inverzie môžu súvisieť s lokálnymi adaptačnými procesmi. Výsledok bol obzvlášť pozoruhodný: 18,6 % genómu vykazuje tento typ štrukturálnej variácie, čo je vysoký podiel, ktorý poukazuje na dôležitosť chromozómových inverzií pri diferenciácii analyzovaných populácií.
Dôsledky pre ochranu morskej biodiverzity
Štúdia tiež odhaľuje, že široko rozšírený druh s prepojenými a zdanlivo homogénnymi populáciami môže mať vo svojom genóme významnú adaptačnú rozmanitosť . Tento objav má dôsledky pre ochranu morskej biodiverzity, pretože rôzne populácie toho istého druhu môžu reagovať odlišne na javy, ako je otepľovanie oceánov alebo zmeny slanosti. Pochopenie tejto genetickej rozmanitosti je obzvlášť dôležité v kontexte klimatických zmien, pretože schopnosť druhov reagovať na zmeny teploty a iných environmentálnych podmienok môže určiť ich prežitie a budúce rozšírenie. Výsledky navyše poskytujú nový pohľad na mechanizmy, ktoré riadia vývoj morskej biodiverzity. Štúdia dokazuje, že zmeny v štruktúre genómu môžu byť rovnako dôležité ako špecifické rozdiely v DNA pri podpore adaptácie druhov.
Ostnatá hviezdica ako model tvárou v tvár zmene klímy
Ďalším krokom bude overiť, či identifikované chromozómové inverzie skutočne majú dôsledky pre biologické vlastnosti jedincov. „Tieto výsledky otvárajú dvere novým štúdiám, ktoré overia, či sa tieto chromozómové inverzie skutočne premietajú do biologických rozdielov medzi jedincami, ako je väčšia tolerancia tepla, odolnosť voči zmenám slanosti, zmeny v raste alebo reprodukcii,“ vysvetľuje Carlos Leiva. Ak budúci výskum potvrdí, že tieto chromozómové inverzie aspoň čiastočne určujú schopnosť hviezdice ostnatej prispôsobiť sa teplu alebo slanosti, Marthasterias glacialis by sa mohol stať modelom pre štúdium toho, ako morské druhy môžu reagovať na oceán poznačený klimatickými zmenami. To, čo sa začalo ako štúdia hviezdice, tak odhalilo nový spôsob, ako pochopiť, ako sa morské organizmy vyvíjajú a ako si dokážu udržať lokálne adaptácie, aj keď sú ich populácie prepojené pohybom ich lariev.
Objav španielsko-francúzskeho tímu, ktorého súčasťou boli aj Univerzita v Guame, Botanický inštitút v Barcelone a Univerzita v Rennes, zdôrazňuje, že organizácia genómu je kľúčovým faktorom evolúcie . Hviezdicovité ryby s 18,6 % inverziami sa stáva ukážkovým príkladom toho, ako môže chromozomálna štruktúra skrývať prekvapivú adaptívnu rozmanitosť, a ponúka cenné indície pre predvídanie toho, ako budú morské ekosystémy reagovať na budúce výzvy.