Korallen können im Laufe ihres Lebens erworbene Mutationen an ihre Nachkommen weitergeben

In einer Entdeckung, die über ein Jahrhundert evolutionäres konventionelles Wissen in Frage stellt, wurde gezeigt, dass Korallen somatische Mutationen – Änderungen der DNA-Sequenz, die in nicht reproduktiven Zellen auftreten – an ihre Nachkommen weitergeben. Die Entdeckung eines internationalen Wissenschaftlerteams unter der Leitung von Biologen der Penn State zeigt einen potenziellen neuen Weg für die Generierung genetischer Vielfalt, die das Rohmaterial für die evolutionäre Anpassung darstellt und von entscheidender Bedeutung sein könnte, damit sich gefährdete Korallen an sich schnell verändernde Umweltbedingungen anpassen können Bedingungen.

„Damit sich ein Merkmal wie die Wachstumsrate entwickeln kann, muss die genetische Grundlage dieses Merkmals von Generation zu Generation weitergegeben werden“, sagte Iliana Baums, Professorin für Biologie an der Penn State und Leiterin des Forschungsteams.

„Bei den meisten Tieren kann eine neue genetische Mutation nur dann zur evolutionären Veränderung beitragen, wenn sie in einer Keimbahn oder Fortpflanzungszelle auftritt, beispielsweise in einer Ei- oder Samenzelle. Mutationen, die im Rest des Körpers, in den somatischen Zellen, vorkommen, waren als evolutionär irrelevant angesehen, weil sie nicht an die Nachkommen weitergegeben werden. Korallen scheinen jedoch einen Weg zu haben, diese Barriere zu umgehen, der es ihnen zu ermöglichen scheint, diese evolutionäre Regel zu brechen.“

Seit Darwin ist unser Verständnis von Evolution immer detaillierter geworden. Wir wissen heute, dass die Eigenschaften eines Organismus stark von der Sequenz seiner DNA bestimmt werden. Individuen in einer Population variieren in ihrer DNA-Sequenz, und diese genetische Variation kann zu einer Variation von Merkmalen wie der Körpergröße führen, die einem Individuum einen Fortpflanzungsvorteil verschaffen könnten.

Nur selten tritt eine neue genetische Mutation auf, die einem Individuum einen solchen Fortpflanzungsvorteil verschafft, und die Evolution kann nur dann weiter voranschreiten, wenn – und das ist der Schlüssel – das Individuum die Veränderung an seine Nachkommen weitergeben kann.

„Bei den meisten Tieren werden die Fortpflanzungszellen früh in der Entwicklung von den Körperzellen getrennt“, sagte Kate Vasquez Kuntz, Doktorandin an der Penn State und Co-Hauptautorin der Studie.

„Also haben nur genetische Mutationen, die in den Fortpflanzungszellen auftreten, das Potenzial, zur Evolution der Art beizutragen. Dieser langsame Prozess des Wartens auf seltene Mutationen in einem bestimmten Satz von Zellen kann angesichts des schnellen Klimawandels besonders problematisch sein Bei einigen Organismen, wie Korallen, kann die Trennung der Fortpflanzungszellen von allen anderen Zellen später in der Entwicklung erfolgen oder überhaupt nicht auftreten, was einen Weg für genetische Mutationen ermöglicht, vom Körper eines Elternteils zu seinen Nachkommen zu gelangen. Dies würde die genetische Variation erhöhen und möglicherweise sogar als ‚Vorab-Screening‘-System für vorteilhafte Mutationen dienen.“

Korallen können sich sowohl asexuell (durch Knospung und Koloniefragmentierung) als auch sexuell vermehren, indem sie Ei- und Samenzellen produzieren. Bei den hier untersuchten Elkhorn-Korallen, die bei Laichereignissen ihre Ei- und Samenzellen ins Wasser aussenden, werden die Eier einer Korallenkolonie meist durch Spermien einer Nachbarkolonie befruchtet.

Das Forschungsteam fand jedoch heraus, dass sich einige Eier von Elkhorn-Korallen zu lebensfähigen Nachkommen entwickelten, ohne dass eine zweite Koralle beteiligt war, eine Art sexuelle Fortpflanzung durch einen Elternteil.

„Diese alleinerziehende Reproduktion ermöglichte es uns, leichter nach potenziellen somatischen Mutationen der Elternkoralle zu suchen und sie in den Nachkommen zu verfolgen, indem die Gesamtzahl der genetischen Möglichkeiten, die bei den Nachkommen auftreten könnten, vereinfacht wurde“, sagte Sheila Kitchen, Co-Hauptautorin der Studie, ein Postdoktorand an der Penn State und Co-Hauptautor der Studie am California Institute of Technology.

Das Forschungsteam genotypisierte Proben – unter Verwendung eines hochauflösenden molekularen Werkzeugs namens Microarray, um DNA-Unterschiede zwischen den Proben zu untersuchen – von zehn verschiedenen Orten in einer großen Elkhorn-Korallenkolonie, die alleinerziehende Nachkommen hervorgebracht hatte, und Proben aus fünf benachbarten Kolonien bei fast 20.000 genetische Orte.

Die Ergebnisse zeigten, dass alle sechs separaten Korallenkolonien zum selben ursprünglichen Korallengenotyp gehörten (bekannt als „Genet“), was im Wesentlichen bedeutet, dass sie Klone waren, die von einer einzigen ursprünglichen Kolonie durch asexuelle Fortpflanzung und Koloniefragmentierung abgeleitet wurden. Somit wäre jede in diesen Korallen gefundene genetische Variation das Ergebnis einer somatischen Mutation gewesen. Das Team fand insgesamt 268 somatische Mutationen in den Proben, wobei jede Korallenprobe zwischen 2 und 149 somatische Mutationen enthielt.

Das Team untersuchte dann die alleinerziehenden Nachkommen der Elkhorn-Korallenkolonie und stellte fest, dass 50 % der somatischen Mutationen vererbt worden waren. Der genaue Mechanismus, wie die somatischen Mutationen in die Keimbahnzellen der Korallen gelangen, ist noch unbekannt, aber die Forscher vermuten, dass die Trennung zwischen Körper- und Keimbahnzellen in Korallen möglicherweise unvollständig ist und einige Körperzellen die Fähigkeit behalten, Keimzellen zu bilden , wodurch somatische Mutationen ihren Weg in die Nachkommen finden können. Sie fanden auch Beweise für die Vererbung somatischer Mutationen bei einigen Nachkommen aus der Paarung zweier getrennter Koralleneltern, aber es sind zusätzliche Studien erforderlich, um dies zu bestätigen.

„Da Korallen als Kolonien genetisch identischer Polypen wachsen, können somatische Mutationen, die in einem Korallenpolypen auftreten, der Umwelt ausgesetzt und auf ihre Nützlichkeit untersucht werden, ohne notwendigerweise die gesamte Kolonie zu beeinträchtigen“, sagte Baums.

„Deshalb können Zellen mit potenziell schädlichen Mutationen absterben und Zellen mit potenziell vorteilhaften Mutationen gedeihen und sich ausbreiten, wenn die Korallenkolonie weiter wächst. Wenn diese Mutationen dann an die Nachkommen weitergegeben werden können – wie wir jetzt gezeigt haben – bedeutet das, dass Korallen über ein zusätzliches Instrument verfügen, das ihre Anpassung an den Klimawandel beschleunigen könnte.“

Ein Artikel, der die Forschung beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.