Jak kopalne ciernikowate mogą pomóc we współczesnych działaniach na rzecz różnorodności biologicznej
Zmiany środowiskowe przyspieszają, a ekolodzy nie dysponują kompleksowymi danymi obserwacyjnymi dotyczącymi adaptacji gatunków w długiej perspektywie czasowej. W rezultacie istnieje wiele naukowych niewiadomych, takich jak to, w jaki sposób szkodliwe mutacje genetyczne „podczepiają się” do korzystnych adaptacji genetycznych. „Adaptacje zapewniające przetrwanie wiążą się z ewolucyjnymi kompromisami. Zrozumienie, które wariacje genetyczne pozwalają populacjom na adaptację i jakim kosztem genetycznym, może dostarczyć wglądu w odporność populacji”, wyjaśnia Andrew David Foote(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu w Oslo. Aby wypełnić tę lukę w wiedzy, Foote koordynował projekt EXPLOAD, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), w ramach którego badano różne równoległe adaptacje ciernika trójkolcowego, zależne od tych samych genów.
Uchwycenie chronologii i tempa zmian w genomie
Chociaż ewolucja jest często procesem powolnym i przebiegającym etapami, u ciernika trójkolcowego adaptacje zachodzą stosunkowo szybko. To, w połączeniu z ich dużą liczebnością utrzymującą się przez długi czas w jeziorach półkuli północnej, czyni z nich modelowy gatunek badawczy. Z pomocą Norweskiej Służby Geologicznej w ramach projektu EXPLOAD zebrano rdzenie osadów morskich, słonawych i słodkowodnych z „jezior izolacji polodowcowej”. Powstały one pod koniec ostatniego okresu zlodowacenia, prawie 12 000 lat temu, kiedy pokrywy lodowe cofnęły się, a ląd stopniowo się podnosił. W miarę podnoszenia się lądu nowo powstałe zatoki morskie zostały odizolowane od morza, a ostatecznie przekształciły się w jeziora słodkowodne. „Ponieważ jeziora często były kolonizowane przez ciernika trójkolcowego niezależnie od siebie, ich osady stanowią zapis naturalnych eksperymentów”, wyjaśnia Foote. „Pobieranie próbek z kilku jezior z różnych przedziałów czasowych ujawnia równoległe procesy adaptacyjne ciernikowatych, co pozwala ustalić, czy wraz z adaptacją do środowiska słodkowodnego nie nasilają się szkodliwe mutacje genetyczne”.
Śledzenie ścieżki zmienności genetycznej
Najnowocześniejsze metody genomiczne skupiały się na regionach genetycznych, które kontrolują kształtowanie morfologii obronnej i żywieniowej, a także cech behawioralnych i fizjologicznych. Na przykład gen EDA(odnośnik otworzy się w nowym oknie) odpowiada za rozwój ochronnych kostnych płyt pancerza. Wariant genu EDA u morskich ciernikowatych powoduje powstawanie ochronnych kostnych płyt pancerza wzdłuż boków, natomiast kolczatki słodkowodne mają mniejszą ilość płyt pancerza, ale charakteryzują się szybszym wzrostem we wczesnym okresie życia, co jest korzystne podczas chłodniejszych zim. Ponieważ kopalne DNA jest bardzo rozdrobnione, zespół zebrał również wysokiej jakości DNA od żywych ciernikowatych i zsekwencjonował ich genom, aby stworzyć swego rodzaju szkielet, który można było „obłożyć” kopalnym DNA. „Zróżnicowanie genetyczne utrwalone w osadach sprzed nawet 13 000 lat pozwoliło nam obserwować przebieg ewolucji w sposób, który wcześniej nie był możliwy”, mówi Foote. Początkowo oczekiwano, że korzystne mutacje rozprzestrzeniające się w regionach o niskim poziomie rekombinacji będą ciągnąć za sobą szkodliwe mutacje. Jednak ciernikowate wydawały się je eliminować(odnośnik otworzy się w nowym oknie), co sugeruje, że koszty adaptacji mutacyjnej nie są uniwersalne. Zdaniem Foote‘a: „Potrzebujemy bardziej zniuansowanego zrozumienia interakcji między rekombinacją, strukturą genomu i selekcją”. Porównując kopalne DNA z różnych jezior, zespół odkrył również, że geny, które najwcześniej przystosowały się do życia w wodach słodkich, spowodowały również największe zmiany morfologiczne lub fizjologiczne. Ponieważ geny te ewoluowały wspólnie, często występowały w skupiskach, jak na przykład te powiązane z genem EDA.
Opracowanie ogólnego narzędzia paleogenomicznego
Metodologie projektu EXPLOAD, zwłaszcza analiza kopalnego DNA z osadów, mają szerszy potencjał — na przykład dostarczają paleoekologii i archeologii informacji o dawnych organizmach i ekosystemach, dla których zachowało się niewiele skamieniałości. Obecnie Foote rozszerza zakres badań na kolejne rdzenie osadowe i jeziora, aby lepiej zrozumieć, dlaczego tempo i przebieg adaptacji różnią się w niezależnie skolonizowanych środowiskach słodkowodnych. „Naszym celem jest przekształcenie paleogenomiki osadowej w bardziej uniwersalne narzędzie do rekonstrukcji zmian ewolucyjnych, zamiast wyciągania wniosków na podstawie porównań żyjących populacji”, dodaje Foote.
