Koraller kan overføre mutationer erhvervet i løbet af deres levetid til afkom

I en opdagelse, der udfordrer over et århundredes evolutionær konventionel visdom, har koraller vist sig at overføre somatiske mutationer - ændringer i DNA-sekvensen, der forekommer i ikke-reproduktive celler - til deres afkom. Fundet, af et internationalt hold af forskere ledet af Penn State biologer, demonstrerer en potentiel ny vej til generering af genetisk diversitet, som er råmaterialet til evolutionær tilpasning og kan være afgørende for at tillade truede koraller at tilpasse sig hurtigt skiftende miljøer. betingelser.

"For at en egenskab, såsom væksthastighed, skal udvikle sig, skal det genetiske grundlag for denne egenskab overføres fra generation til generation," sagde Iliana Baums, professor i biologi ved Penn State og leder af forskerholdet.

"For de fleste dyr kan en ny genetisk mutation kun bidrage til evolutionær forandring, hvis den sker i en kønscelle eller en kønscelle, for eksempel i et æg eller en sædcelle. Mutationer, der opstår i resten af ​​kroppen, i de somatiske celler, var bl.a. menes at være evolutionært irrelevante, fordi de ikke bliver videregivet til afkom. Koraller ser dog ud til at have en vej rundt om denne barriere, der ser ud til at give dem mulighed for at bryde denne evolutionære regel."

Siden Darwins tid er vores forståelse af evolution blevet stadig mere detaljeret. Vi ved nu, at en organismes egenskaber er stærkt bestemt af sekvensen af ​​deres DNA. Individer i en population varierer i deres DNA-sekvens, og denne genetiske variation kan føre til variationen i egenskaber, såsom kropsstørrelse, der kan give et individ en reproduktiv fordel.

Kun sjældent forekommer en ny genetisk mutation, der giver et individ en sådan reproduktiv fordel, og evolutionen kan kun fortsætte, hvis – og dette er nøglen – individet kan overføre forandringen til sit afkom.

"Hos de fleste dyr er reproduktionsceller adskilt fra kropsceller tidligt i udviklingen," sagde Kate Vasquez Kuntz, en kandidatstuderende ved Penn State og medforfatter af undersøgelsen.

"Så kun genetiske mutationer, der forekommer i kønscellerne, har potentialet til at bidrage til artens udvikling. Denne langsomme proces med at vente på sjældne mutationer i et bestemt sæt celler kan være særligt problematisk i betragtning af klimaændringernes hurtige natur. For nogle organismer, såsom koraller, kan adskillelsen af ​​reproduktive celler fra alle andre celler forekomme senere i udviklingen eller måske aldrig forekomme overhovedet, hvilket tillader en vej for genetiske mutationer at rejse fra en forælders krop til dens afkom. Dette ville øge den genetiske variation og potentielt endda tjene som et 'præ-screening'-system for fordelagtige mutationer."

Koraller kan formere sig både ukønnet (gennem knopskydning og kolonifragmentering) og seksuelt ved at producere æg- og sædceller. For Elkhorn-korallerne, der er undersøgt her, og som udsender deres æg og sædceller i vandet under gydebegivenheder, befrugtes æg fra en koralkoloni normalt af sæd fra en nabokoloni.

Forskerholdet fandt dog ud af, at nogle Elkhorn-koralæg udviklede sig til levedygtige afkom, uden at der var en anden koral involveret, en slags enlig forælder seksuel reproduktion.

"Denne enlige forælder-reproduktion gav os mulighed for lettere at søge efter potentielle somatiske mutationer fra moderkorallen og spore dem ind i afkommet ved at forenkle det samlede antal genetiske muligheder, der kunne forekomme i afkommet," siger Sheila Kitchen, medforfatter. af undersøgelsen, en postdoc-forsker ved Penn State og California Institute of Technology, der er medforfatter af undersøgelsen.

Forskerholdet genotypede prøver - ved hjælp af et højopløsningsmolekylært værktøj kaldet et mikroarray til at undersøge DNA-forskelle mellem prøverne - fra ti forskellige lokationer på en stor Elkhorn-koralkoloni, der havde produceret enkeltforælder-afkom, og prøver fra fem nabokolonier på næsten 20.000 genetiske lokaliteter.

Resultaterne viste, at alle seks af de separate koralkolonier tilhørte den samme originale koralgenotype (kendt som en "genet"), hvilket i det væsentlige betyder, at de var kloner afledt af en enkelt original koloni gennem aseksuel reproduktion og kolonifragmentering. Således ville enhver genetisk variation fundet i disse koraller have været resultatet af somatisk mutation. Holdet fandt i alt 268 somatiske mutationer i prøverne, hvor hver koralprøve husede mellem 2 og 149 somatiske mutationer.

Holdet kiggede derefter på det enlige forælder afkommet fra forælderen Elkhorn koralkoloni og fandt ud af, at 50% af de somatiske mutationer var blevet nedarvet. Den nøjagtige mekanisme for, hvordan de somatiske mutationer trænger ind i kønsceller i korallerne er stadig ukendt, men forskerne formoder, at adskillelsen mellem krop og kønsceller i koraller kan være ufuldstændig, og nogle kropsceller kan bevare kapaciteten til at danne kønsceller , hvilket tillader somatiske mutationer at finde vej til afkom. De fandt også beviser for nedarvning af somatiske mutationer i nogle afkom fra parringen af ​​to separate koralforældre, men vil have brug for yderligere undersøgelser for at bekræfte dette.

"Fordi koraller vokser som kolonier af genetisk identiske polypper, kan somatiske mutationer, der opstår i en koralpolyp, blive udsat for miljøet og screenet for deres nytte uden nødvendigvis at påvirke hele kolonien," sagde Baums.

"Derfor kan celler med potentielt skadelige mutationer dø ud, og celler med potentielt fordelagtige mutationer kan trives og spredes, mens koralkolonien fortsætter med at vokse. Hvis disse mutationer så kan overføres til afkom - som vi nu har påvist - betyder det, at koraller har et ekstra værktøj, der muligvis kan fremskynde deres tilpasning til klimaændringer."

Et papir, der beskriver forskningen, vises i tidsskriftet Science Advances . + Udforsk yderligere

Kryokonservering af koraller til avl, nøglen til overlevelse