Ensi silmäyksellä Välimeren meritähtipopulaatiot ja Britteinsaarten kylmissä vesissä elävät meritähtipopulaatiot näyttävät kuuluvan samaan lajiin ilman merkittäviä eroja. Niiden genomi kertoo kuitenkin toisen tarinan: tieteellinen ryhmä on havainnut, että niillä on epätavallisen paljon kromosomi-inversioita eli suuria kromosomifragmentteja, jotka näyttävät joillakin yksilöillä "ylösalaisin olevina".
Nämä investoinnit vaikuttavat 18,6 prosenttiin piikkimeritähtien (Marthasterias glacialis) genomista ja näyttävät liittyvän erilaisiin ympäristöolosuhteisiin . Löydös viittaa siihen, että genomin organisaatiolla voi olla erityisen tärkeä rooli merilajin kyvyssä sopeutua monimuotoisiin ympäristöihin.
Ympäristöön liittyvät kromosomien inversiot
Doñanan biologisen aseman (EBD-CSIC) ja Barcelonan yliopiston johtamassa tutkimuksessa analysoitiin lähes 300 yksilöä Koillis-Atlantin ja Läntisen Välimeren eri alueilta. "Mielenkiintoisin havainto on, että näiden inversioiden variantit eivät ole satunnaisesti jakautuneet tutkittujen populaatioiden kesken, vaan ne näyttävät liittyvän eri maantieteellisiin alueisiin", selittää Carlos Leiva, Doñanan biologisen aseman tutkija. "Monet niistä ovat yleisempiä lämpimillä, suolaisilla alueilla, kuten Välimerellä, kun taas toiset näyttävät liittyvän kylmempiin alueisiin, kuten Britteinsaariin." Näiltä inversioalueilta löydettiin geenejä, jotka liittyvät lämpöstressiin reagointiin, osmosäätelyyn, immuunivasteeseen ja ympäristön havaitsemiseen. Tutkijat kuitenkin varoittavat, että tämä suhde on validoitava kokeellisilla tutkimuksilla. Tulokset viittaavat joka tapauksessa siihen, että genomin organisoitumistapa voi olla erityisen tärkeä sen ymmärtämiseksi, miten laji sopeutuu erilaisiin ympäristöihin, DNA:n pistemutaatioiden lisäksi. Tämä mekanismi voisi olla erityisen merkityksellinen piikikkämeritähdelle, lajille, jonka populaatiot ylläpitävät vahvaa yhteyttä toisiinsa, vaikka ne elävät hyvin erilaisissa ympäristöissä.
Mekanismi paikallisten sopeutumien säilyttämiseksi
Löydös on erityisen silmiinpistävä monille merieliöille tyypillisen ilmiön vuoksi: niiden toukkien pitkän matkan liikkuvuus . Vaikka aikuisten meritähtien liikkuvuus on rajoitetumpaa, niiden toukat voivat matkustaa satoja kilometrejä merivirtojen kuljettamina. Tämä liike helpottaa geenivaihtoa ja sekoittaa jatkuvasti populaatioita. Teoriassa tämän korkean keskinäisriippuvuuden pitäisi estää merkittävien adaptiivisten erojen syntymistä alueiden välillä. Tutkimus kuitenkin osoittaa, että genomissa on alueita, jotka pystyvät välttämään tämän geneettisen sekoittumisen. Tietyt alueet rekombinoituvat eli "sekoittuvat" paljon vähemmän kuin muu genomi, minkä ansiosta ne pysyvät erillään populaatioiden välillä. "Nämä alueet toimivat rakennuspalikoina, jotka periytyvät yhdessä, säilyttäen siten geenien yhdistelmät, jotka ovat hyödyllisiä tietyissä ympäristöolosuhteissa elämiselle, joissa on eroja lämpötilassa tai suolapitoisuudessa", selittää Marta Martín Huete, Barcelonan yliopiston esidoktoritutkija. Tällä tavoin kromosomi-inversiot voisivat toimia eräänlaisena mekanismina, joka mahdollistaa tiettyjen tietylle ympäristölle suotuisten geneettisten yhdistelmien pitämisen yhdessä, vaikka populaatioiden välillä olisi huomattavaa geenivaihtoa.
Lähes 300 meritähteä tutkittu Atlantilla ja Välimerellä
Selvittääkseen, oliko lajin genomissa piileviä eroja, tieteellinen ryhmä analysoi lähes 300 Marthasterias glacialis -näytteen näytteitä 19 eri paikasta Koillis-Atlantilla ja Länsi-Välimerellä. Näytteet olivat peräisin muun muassa Britteinsaarilta, Azoreilta, Euroopan Atlantin rannikolta ja Välimereltä, mikä mahdollisti hyvin erilaisissa ympäristöolosuhteissa elävien populaatioiden vertailun. Tiimi analysoi tuhansia genomiin jakautuneita markkereita ja vertasi niitä lajin vertailugenomiin. Tämä lähestymistapa mahdollisti kromosomi-inversioiden kanssa yhdenmukaisten alueiden tunnistamisen ja sen tutkimisen, miten nämä inversiot jakautuivat eri populaatioiden kesken. Lisäksi geneettiset tiedot yhdistettiin ympäristötietoihin lämpötilasta ja suolapitoisuudesta, mikä mahdollisti tutkijoiden selvittää, liittyivätkö kromosomi-inversiot mahdollisesti paikallisiin sopeutumisprosesseihin. Tulos oli erityisen silmiinpistävä: 18,6 % genomista osoittaa tällaista rakenteellista vaihtelua, mikä on suuri osuus, joka viittaa kromosomi-inversioiden merkitykseen analysoitujen populaatioiden erottamisessa.
Vaikutukset meren biologisen monimuotoisuuden säilyttämiseen
Tutkimus paljastaa myös, että laajalle levinnyt laji, jolla on yhtenäiset ja näennäisesti homogeeniset populaatiot, voi sisältää merkittävää adaptiivista monimuotoisuutta genomissaan . Tällä löydöllä on vaikutuksia meren biologisen monimuotoisuuden säilyttämiseen, sillä saman lajin eri populaatiot voivat reagoida eri tavoin ilmiöihin, kuten valtamerten lämpenemiseen tai suolapitoisuuden muutoksiin. Tämän geneettisen monimuotoisuuden ymmärtäminen on erityisen tärkeää ilmastonmuutoksen yhteydessä, koska lajien kyky reagoida lämpötilan ja muiden ympäristöolosuhteiden muutoksiin voi määrittää niiden selviytymisen ja tulevan levinneisyyden. Lisäksi tulokset tarjoavat uuden näkökulman meren biologisen monimuotoisuuden evoluutiota ohjaaviin mekanismeihin. Tutkimus osoittaa, että genomin rakenteen muutokset voivat olla yhtä tärkeitä kuin DNA:n spesifiset erot lajien sopeutumisen edistämisessä.
Piikkimeritähti mallina ilmastonmuutoksen edessä
Seuraavaksi selvitetään, onko havaituilla kromosomi-inversioilla todella seurauksia yksilöiden biologisille ominaisuuksille . "Nämä tulokset avaavat oven uusille tutkimuksille sen selvittämiseksi, johtavatko nämä kromosomi-inversiot todella yksilöiden välisiin biologisiin eroihin, kuten parempaan lämmönsietokykyyn, suolapitoisuuden muutosten vastustuskykyyn, kasvun tai lisääntymisen vaihteluihin", Carlos Leiva selittää. Jos tuleva tutkimus vahvistaa, että nämä kromosomi-inversiot määräävät ainakin osittain piikkimeritähtien kyvyn sopeutua kuumuuteen tai suolapitoisuuteen, Marthasterias glacialis voisi olla malli sen tutkimiseen, miten merilajit voivat reagoida ilmastonmuutoksen leimaamaan valtamereen. Meritähtitutkimuksena alkanut tutkimus on siis paljastanut uuden tavan ymmärtää, miten merieliöt kehittyvät ja miten ne voivat ylläpitää paikallisia sopeutumisia, vaikka niiden populaatiot olisivat yhteydessä toisiinsa toukkien liikkumisen kautta.
Espanjalais-ranskalaisen tutkimusryhmän, johon kuuluivat myös Guamin yliopisto, Barcelonan kasvitieteellinen instituutti ja Rennesin yliopisto, tekemä löytö korostaa, että genomin organisoituminen on evoluution kannalta keskeinen tekijä . Piikkimeritähti 18,6 %:n inversioineen on erinomainen esimerkki siitä, miten kromosomirakenne voi kätkeä alleen yllättävän adaptiivisen monimuotoisuuden, ja tarjoaa arvokkaita vihjeitä sen ennakoimiseksi, miten meriekosysteemit reagoivat tulevaisuuden haasteisiin.