Nghiên cứu gần đây về gấu nước tiết lộ cơ sở di truyền phức tạp cho tính linh hoạt cực cao của chúng, thách thức các giả định trước đây về khả năng thích nghi với môi trường của chúng và chỉ ra các sự kiện tiến hóa độc lập trong khả năng anhydropathize của chúng.
Tardigrades có thể là kẻ sống sót cuối cùng của thiên nhiên. Mặc dù có thể dễ dàng bỏ qua những loài động vật nhỏ bé, gần như trong suốt này, nhưng chúng đại diện cho một nhóm đa dạng đã xâm chiếm thành công các môi trường nước ngọt, biển và trên cạn ở mọi lục địa, bao gồm cả Nam Cực.
Được biết đến với cái tên “gấu nước”, những sinh vật kỳ lạ này có thể là một trong những sinh vật kiên cường nhất hành tinh nhờ khả năng sinh tồn vô song trong điều kiện khắc nghiệt, với nhiều… Phân loại Có khả năng chống hạn hán, liều lượng bức xạ cao, môi trường oxy thấp, nhiệt độ và áp suất cao và thấp.
Trong khi nhiều gen đã được đề xuất góp phần tạo ra khả năng chịu đựng cực độ này, thì vẫn chưa có sự hiểu biết toàn diện về nguồn gốc và lịch sử của những khả năng thích nghi độc đáo này. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Sinh học và tiến hóa bộ gencác nhà khoa học tại Viện Khoa học sinh học tiên tiến của Đại học Keio Đại học Oslo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên và Đại học Bristol Nó tiết lộ một mạng lưới sao chép và mất gen phức tạp đáng ngạc nhiên liên quan đến sức chịu đựng cực độ của loài gấu nước, làm nổi bật bối cảnh di truyền phức tạp thúc đẩy hệ sinh thái của loài gấu nước hiện đại.
Tìm hiểu các họ gen Tardigrade
Là một dạng có sức chịu đựng cực cao, gấu nước có thể sống sót sau tình trạng mất nước gần như hoàn toàn bằng cách bước vào trạng thái tạm dừng gọi là anhydrobiosis.bất kì, Cuộc sống không có nước), cho phép chúng ngừng trao đổi chất một cách thuận nghịch. Nhiều họ gen đặc hiệu của gấu nước trước đây đã được phát hiện có liên quan đến bệnh ahydrobiosis.
Ba trong số họ gen này được gọi là CTôi xin bạn, MTy thể và Sbí mật MộtPhong phú HAnh ấy ăn SCác protein hòa tan (tương ứng là CAHS, MAHS và SAHS) dựa trên vị trí tế bào nơi protein được biểu hiện. Một số loài tardigrades dường như có một con đường khác liên quan đến hai họ protein hòa tan trong nhiệt dồi dào lần đầu tiên được xác định ở tardigrades. Kiểm tra ngựa Chúng thường được gọi là EtAHS alpha và beta.
Hình ảnh của một con tardigrade Ramazotius variornatus, ở giữa dòng CAHS, là họ lớn nhất trong số sáu họ protein liên quan đến hạn hán được phân tích trong nghiên cứu này. Nhà cung cấp hình ảnh: Kazuharu Arakawa, Viện Khoa học sinh học tiên tiến Keio
Tardigrades cũng sở hữu các gen kháng stress có thể tìm thấy ở các loài động vật rộng lớn hơn, chẳng hạn như gen tái tổ hợp vi phân 11 (MRE11), được cho là có liên quan đến khả năng chịu hạn ở các loài động vật khác. Thật không may, kể từ khi xác định được các họ gen này, hầu hết các dòng dõi tardigrade đều có rất ít thông tin, khiến việc đưa ra kết luận về nguồn gốc, lịch sử và ý nghĩa sinh thái của chúng trở nên khó khăn.
Điều tra sự tiến hóa của tardigrades
Để làm sáng tỏ hơn về sự tiến hóa của khả năng chịu đựng cực độ của gấu nước, các tác giả của nghiên cứu mới – James Fleming, David Pisani và Kazuharu Arakawa – đã xác định trình tự từ sáu họ gen này trên 13 chi gấu nước, bao gồm các đại diện từ mỗi loài chính. dòng dõi tardigrade. Eutardigrades và Heterotardigrades. Phân tích của họ cho thấy 74 trình tự CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS alpha, 18 EtAHS beta và 21 trình tự MRE11, cho phép họ xây dựng các bộ phát sinh chủng loại loài gấu nước đầu tiên cho các họ gen này.
Vì khả năng chống chịu hạn hán có thể xuất hiện như một sự thích nghi với môi trường trên cạn, nên các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng họ sẽ tìm thấy mối liên hệ giữa sự sao chép và mất gen ở các họ gen này với sự thay đổi môi trường sống ở loài tardigrades. Tác giả chính của nghiên cứu, James Fleming, cho biết: “Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu, chúng tôi hy vọng sẽ thấy rằng mỗi nhánh sẽ được tập hợp rõ ràng xung quanh các phiên bản cổ xưa, với một số tổn thất độc lập. Điều này sẽ giúp chúng tôi dễ dàng liên kết chúng với sự hiểu biết về môi trường sống và hệ sinh thái hiện đại”. “Về mặt lý thuyết, có một giả thuyết trực quan rằng quá trình tiến hóa phiên mã của các gen liên quan đến hạn hán này sẽ chứa đựng tàn tích của lịch sử môi trường của những sinh vật này, mặc dù trên thực tế, điều này hóa ra lại là một sự đơn giản hóa quá mức.”
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu rất ngạc nhiên trước số lượng lớn các bản sao độc lập của các gen hòa tan trong nhiệt, điều này đã vẽ nên một bức tranh phức tạp hơn về sự tiến hóa của các gen liên quan đến bệnh anhydrobiosis. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là không có mối liên hệ rõ ràng giữa các loài có tính chất kỵ nước mạnh và số lượng gen liên quan đến tính chất kỵ nước mà một loài sở hữu. Fleming nói: “Những gì chúng tôi tìm thấy thú vị hơn nhiều, một mạng lưới phức tạp gồm những lợi ích và tổn thất độc lập không nhất thiết liên quan đến môi trường của các loài sống trên cạn hiện đại”.
Sự thích nghi tự trị ở dòng dõi tardigrade
Mặc dù không có mối quan hệ giữa sự sao chép gen và môi trường của gấu nước, nhưng nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng về những biến đổi quan trọng dẫn đến việc mắc phải bệnh ahydrobiosis. Sự phân bố khác biệt của các họ gen trên hai nhóm gấu nước chính—CAHS, MAHS và SAHS ở loài gấu nước và EtAHS alpha và beta ở loài Heterotardigrades—cho thấy rằng có hai quá trình chuyển đổi độc lập từ môi trường trong suốt dưới biển sang trên cạn đã xảy ra trong loài gấu nước, từng có ở tổ tiên Eutardigrade và một lần trong Inside Heterotardigrades.
Nghiên cứu này thể hiện một bước tiến quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của bệnh ahydrobiosis ở gấu nước. Nó cũng cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu trong tương lai về khả năng chống chịu cực độ của gấu nước, đòi hỏi phải tiếp tục phát triển nguồn gen từ các dòng dõi gấu nước đa dạng hơn.
Fleming nói: “Thật không may, chúng tôi không có đại diện từ một số họ quan trọng, chẳng hạn như Isohypsibiidae, và điều này hạn chế mức độ chúng tôi có thể đưa ra kết luận của mình”. “Với nhiều mẫu tardigrades nước ngọt và biển hơn, chúng tôi sẽ có thể ước tính tốt hơn khả năng thích nghi của các thành viên trong nhóm trên cạn.” Thật không may, một số loài tardigrade có thể đặc biệt khó nắm bắt, gây trở ngại lớn cho những nghiên cứu như vậy. Ví dụ, loài Tanarctus, một trong những loài gấu nước yêu thích của Fleming, nhỏ đến mức không thể nhìn thấy bằng mắt thường và chỉ được tìm thấy trong trầm tích ở Bắc Đại Tây Dương ở độ sâu khoảng 150 mét. Fleming nói: “Chúng tôi hy vọng rằng các sáng kiến giải trình tự quy mô lớn thông qua Dự án Hệ gen sinh học Trái đất sẽ dần dần lấp đầy khoảng trống hiểu biết này của chúng tôi và tôi rất vui khi thấy điều này tiếp tục”.
Tham khảo: “Sự phát triển của các họ protein liên quan đến nhiệt độ và hạn hán ở gấu nước cho thấy khả năng chịu đựng cực độ phức tạp” của James F. Fleming, David Pisani và Kazuharu Arakawa, ngày 29 tháng 11 năm 2023, Sinh học và tiến hóa bộ gen.
doi: 10.1093/jpe/evad217