I en upptäckt som utmanar över ett sekel av evolutionär konventionell visdom, har koraller visat sig överföra somatiska mutationer – förändringar i DNA-sekvensen som förekommer i icke-reproduktiva celler – till deras avkomma. Fyndet, av ett internationellt team av forskare ledda av Penn State biologer, visar en potentiell ny väg för generering av genetisk mångfald, som är råmaterialet för evolutionär anpassning, och kan vara avgörande för att tillåta hotade koraller att anpassa sig till snabbt föränderliga miljöer. betingelser.

"För att en egenskap, som tillväxthastighet, ska utvecklas måste den genetiska grunden för den egenskapen överföras från generation till generation", säger Iliana Baums, professor i biologi vid Penn State och ledare för forskargruppen.

"För de flesta djur kan en ny genetisk mutation bara bidra till evolutionär förändring om den sker i en könscell eller reproduktionscell, till exempel i ett ägg eller en spermiecell. Mutationer som sker i resten av kroppen, i de somatiska cellerna, var anses vara evolutionärt irrelevanta eftersom de inte överförs till avkommor. Koraller verkar dock ha en väg runt denna barriär som verkar tillåta dem att bryta denna evolutionära regel."

Sedan Darwins tid har vår förståelse av evolutionen blivit allt mer detaljerad. Vi vet nu att en organisms egenskaper i hög grad bestäms av sekvensen av deras DNA. Individer i en population varierar i sin DNA-sekvens, och denna genetiska variation kan leda till variationen i egenskaper, såsom kroppsstorlek, som kan ge en individ en reproduktiv fördel.

Endast sällan inträffar en ny genetisk mutation som ger en individ en sådan reproduktiv fördel och evolutionen kan bara fortsätta om – och detta är nyckeln – individen kan överföra förändringen till sin avkomma.

"Hos de flesta djur är reproduktionsceller segregerade från kroppsceller tidigt i utvecklingen", säger Kate Vasquez Kuntz, doktorand vid Penn State och medförfattare till studien.

"Så endast genetiska mutationer som uppstår i fortplantningscellerna har potential att bidra till artens utveckling. Denna långsamma process att vänta på sällsynta mutationer i en viss uppsättning celler kan vara särskilt problematisk med tanke på klimatförändringarnas snabba natur. Men , för vissa organismer, som koraller, kan segregeringen av reproduktionsceller från alla andra celler ske senare i utvecklingen eller kanske aldrig inträffa alls, vilket tillåter en väg för genetiska mutationer att resa från en förälders kropp till dess avkomma. Detta skulle öka genetisk variation och potentiellt till och med fungera som ett "för-screening"-system för fördelaktiga mutationer."

Koraller kan föröka sig både asexuellt (genom knoppning och kolonifragmentering) och sexuellt genom att producera ägg- och spermieceller. För de Elkhorn-koraller som studeras här, som sänder ut sina ägg och spermieceller i vattnet under lekhändelser, befruktas ägg från en korallkoloni vanligtvis av spermier från en närliggande koloni.

Forskargruppen fann dock att en del Elkhorn-korallägg utvecklades till livskraftiga avkommor utan att en andra korall var inblandad, en sorts sexuell fortplantning med ensamstående föräldrar.

"Denna ensamförälder-reproduktion gjorde det möjligt för oss att lättare söka efter potentiella somatiska mutationer från föräldrakorallen och spåra dem in i avkomman genom att förenkla det totala antalet genetiska möjligheter som kan uppstå i avkomman", säger Sheila Kitchen, medförfattare. av studien, en postdoktor vid Penn State och California Institute of Technology som är huvudförfattare till studien.

Forskargruppen genotypade prover - med hjälp av ett högupplöst molekylärt verktyg som kallas en mikroarray för att undersöka DNA-skillnader mellan proverna - från tio olika platser på en stor Elkhorn-korallkoloni som hade producerat ensamstående avkomma, och prover från fem närliggande kolonier på nästan 20 000 genetiska platser.

Resultaten visade att alla sex av de separata korallkolonierna tillhörde samma ursprungliga korallgenotyp (känd som en "genet"), vilket i huvudsak betyder att de var kloner som härrörde från en enda ursprunglig koloni genom asexuell reproduktion och kolonifragmentering. Således skulle varje genetisk variation som hittats i dessa koraller ha varit resultatet av somatisk mutation. Teamet hittade totalt 268 somatiska mutationer i proverna, där varje korallprov hade mellan 2 och 149 somatiska mutationer.

Teamet tittade sedan på den ensamstående avkomman från korallkolonin Elkhorn och fann att 50 % av de somatiska mutationerna hade ärvts. Den exakta mekanismen för hur de somatiska mutationerna tar sig in i könscellsceller i korallerna är fortfarande okänd, men forskarna misstänker att segregationen mellan kropps- och könscellsceller i koraller kan vara ofullständig och vissa kroppsceller kan behålla kapaciteten att bilda könsceller , vilket tillåter somatiska mutationer att ta sig in i avkommor. De hittade också bevis för nedärvning av somatiska mutationer i vissa avkommor från parning av två separata korallföräldrar men kommer att behöva ytterligare studier för att bekräfta detta.

"Eftersom koraller växer som kolonier av genetiskt identiska polyper, kan somatiska mutationer som uppstår i en korallpolyp exponeras för miljön och screenas för deras användbarhet utan att nödvändigtvis påverka hela kolonin", säger Baums.

"Därför kan celler med potentiellt skadliga mutationer dö ut och celler med potentiella fördelar mutationer kan frodas och spridas när korallkolonin fortsätter att växa. Om dessa mutationer sedan kan överföras till avkomman - som vi nu har visat - betyder det att koraller har ytterligare ett verktyg som kanske kan påskynda deras anpassning till klimatförändringar."

En artikel som beskriver forskningen visas i tidskriften Science Advances . + Utforska vidare

Kryokonservering av koraller för avel nyckeln till överlevnad