In een ontdekking die meer dan een eeuw van evolutionaire conventionele wijsheid uitdaagt, is aangetoond dat koralen somatische mutaties - veranderingen in de DNA-sequentie die voorkomen in niet-reproductieve cellen - doorgeven aan hun nakomelingen. De bevinding, door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Penn State-biologen, demonstreert een potentiële nieuwe route voor het genereren van genetische diversiteit, de grondstof voor evolutionaire aanpassing, en kan van vitaal belang zijn om bedreigde koralen in staat te stellen zich aan te passen aan snel veranderende omgevingsfactoren. conditie.

"Om een ​​eigenschap, zoals groeisnelheid, te laten evolueren, moet de genetische basis van die eigenschap van generatie op generatie worden doorgegeven", zegt Iliana Baums, hoogleraar biologie aan Penn State en leider van het onderzoeksteam.

“Voor de meeste dieren kan een nieuwe genetische mutatie alleen bijdragen aan evolutionaire verandering als deze zich voordoet in een kiembaan of voortplantingscel, bijvoorbeeld in een ei- of zaadcel. Mutaties die in de rest van het lichaam, in de somatische cellen, optreden, waren beschouwd als evolutionair irrelevant omdat ze niet worden doorgegeven aan nakomelingen. Koralen lijken echter een manier te hebben om deze barrière te omzeilen die hen in staat lijkt te stellen deze evolutionaire regel te doorbreken."

Sinds de tijd van Darwin is ons begrip van evolutie steeds gedetailleerder geworden. We weten nu dat de eigenschappen van een organisme sterk worden bepaald door de volgorde van hun DNA. Individuen in een populatie variëren in hun DNA-sequentie, en deze genetische variatie kan leiden tot de variatie in eigenschappen, zoals lichaamsgrootte, die een individu een reproductief voordeel zou kunnen geven.

Slechts zelden komt er een nieuwe genetische mutatie voor die een individu zo'n reproductief voordeel geeft en de evolutie kan alleen verder gaan als - en dit is de sleutel - het individu de verandering kan doorgeven aan zijn nakomelingen.

"Bij de meeste dieren worden voortplantingscellen vroeg in de ontwikkeling gescheiden van lichaamscellen", zegt Kate Vasquez Kuntz, een afgestudeerde student aan Penn State en de co-hoofdauteur van het onderzoek.

"Dus alleen genetische mutaties die in de voortplantingscellen voorkomen, hebben het potentieel om bij te dragen aan de evolutie van de soort. Dit langzame proces van wachten op zeldzame mutaties in een bepaalde reeks cellen kan bijzonder problematisch zijn gezien de snelle aard van klimaatverandering. , voor sommige organismen, zoals koralen, kan de scheiding van voortplantingscellen van alle andere cellen later in de ontwikkeling plaatsvinden of helemaal nooit plaatsvinden, waardoor een pad voor genetische mutaties zich kan verplaatsen van het lichaam van een ouder naar zijn nakomelingen.Dit zou de genetische variatie vergroten en mogelijk zelfs dienen als een 'pre-screening' systeem voor voordelige mutaties."

Koralen kunnen zich zowel ongeslachtelijk voortplanten (door ontluikende en koloniefragmentatie) als seksueel, door ei- en zaadcellen te produceren. Voor de hier bestudeerde Elkhorn-koralen, die hun ei- en zaadcellen in het water uitzenden tijdens paaigebeurtenissen, worden eieren van een koraalkolonie meestal bevrucht door sperma van een naburige kolonie.

Het onderzoeksteam ontdekte echter dat sommige Elkhorn-koraaleieren zich ontwikkelden tot levensvatbare nakomelingen zonder dat er een tweede koraal bij betrokken was, een soort seksuele voortplanting door één ouder.

"Deze eenouderreproductie stelde ons in staat om gemakkelijker te zoeken naar mogelijke somatische mutaties van het ouderkoraal en deze in de nakomelingen te volgen door het totale aantal genetische mogelijkheden die bij de nakomelingen kunnen voorkomen te vereenvoudigen", zegt Sheila Kitchen, co-hoofdauteur van de studie, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State en het California Institute of Technology co-hoofdauteur van de studie.

Het onderzoeksteam heeft monsters gegenotypeerd - met behulp van een moleculair hulpmiddel met hoge resolutie, een microarray genaamd om DNA-verschillen tussen de monsters te onderzoeken - van tien verschillende locaties op een grote Elkhorn-koraalkolonie die eenouderlijke nakomelingen had geproduceerd, en monsters van vijf naburige kolonies op bijna 20.000 genetische locaties.

De resultaten toonden aan dat alle zes de afzonderlijke koraalkolonies tot hetzelfde originele koraalgenotype behoorden (bekend als een "genet"), wat in wezen betekent dat het klonen waren die waren afgeleid van een enkele originele kolonie door ongeslachtelijke voortplanting en koloniefragmentatie. Dus elke genetische variatie die in deze koralen wordt gevonden, zou het resultaat zijn van somatische mutatie. Het team vond in totaal 268 somatische mutaties in de monsters, waarbij elk koraalmonster tussen de 2 en 149 somatische mutaties herbergde.

Het team keek vervolgens naar de eenouder-nakomelingen van de ouderlijke Elkhorn-koraalkolonie en ontdekte dat 50% van de somatische mutaties was geërfd. Het exacte mechanisme van hoe de somatische mutaties hun weg vinden naar kiembaancellen in de koralen is nog onbekend, maar de onderzoekers vermoeden dat de scheiding tussen lichaams- en kiembaancellen in koralen onvolledig kan zijn en dat sommige lichaamscellen het vermogen behouden om kiemcellen te vormen , waardoor somatische mutaties hun weg naar het nageslacht kunnen vinden. Ze hebben ook bewijs gevonden voor de overerving van somatische mutaties bij sommige nakomelingen van de paring van twee afzonderlijke koraalouders, maar ze hebben aanvullende studies nodig om dit te bevestigen.

"Omdat koralen groeien als kolonies van genetisch identieke poliepen, kunnen somatische mutaties die in één koraalpoliep ontstaan, worden blootgesteld aan de omgeving en worden gescreend op hun bruikbaarheid zonder noodzakelijkerwijs de hele kolonie te beïnvloeden," zei Baums.

"Daarom kunnen cellen met potentieel schadelijke mutaties afsterven en cellen met potentieel gunstige mutaties zouden kunnen gedijen en zich verspreiden naarmate de koraalkolonie blijft groeien. Als deze mutaties vervolgens kunnen worden doorgegeven aan nakomelingen - zoals we nu hebben aangetoond - betekent dit dat koralen hebben een extra hulpmiddel dat hun aanpassing aan klimaatverandering zou kunnen versnellen."

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt in het tijdschrift Science Advances . + Verder verkennen

Cryopreservatie van koraal als foksleutel tot overleving