Eine auf Kälte spezialisierte Eisfischart erfuhr große genetische Veränderungen, als sie in gemäßigte Gewässer wanderte, wie neue Studienergebnisse zeigen

Viele Tiere haben sich entwickelt, um extreme Umgebungen zu tolerieren, einschließlich der Fähigkeit, den erdrückenden Druck von Meeresgräben, die unerbittliche Hitze der Wüsten und den begrenzten Sauerstoff hoch in den Bergen zu überleben. Diese Tiere sind oft hochspezialisiert, um in diesen spezifischen Umgebungen zu leben, was sie daran hindert, an neue Orte zu ziehen.

Dennoch gibt es seltene Beispiele von Arten, die einst in rauen Umgebungen lebten, sich aber seitdem in gemäßigteren Umgebungen angesiedelt haben. Angel Rivera-Colón, ein ehemaliger Doktorand, jetzt Postdoc im Labor von Julian Catchen (CIS/GNDP), außerordentlicher Professor in der Abteilung für Evolution, Ökologie und Verhalten an der Universität von Illinois Urbana-Champaign, erforscht die zugrunde liegenden genetischen Mechanismen diese Anomalie in antarktischen Notothenioid-Fischen.

Antarktische Notothenioide oder Kryonotothenioide haben sich entwickelt, um in eiskalten Gewässern rund um die Antarktis zu leben, wo die meisten Fische sonst festfrieren würden, wenn sie solchen kalten Temperaturen ausgesetzt würden. Cryonotothenioide Fische können jedoch in diesen Gewässern aufgrund von Frostschutz-Glykoproteinen überleben, die sie in ihren Zellen produzieren. Die AGFPs binden an sich bildende Eiskristalle und verhindern so deren Wachstum und das Einfrieren der Zellen.

Antarktische Eisfische, eine Familie innerhalb der Kryonotothenioiden, sind noch spezialisierter auf das Leben in eisigen Gewässern. Eisfische sind auch die einzigen Wirbeltiere, die sich daran angepasst haben, ohne Hämoglobin in ihren Blutzellen zu leben, was dazu führt, dass ihre Zellen und Gewebe eine durchscheinende/weiße Farbe haben. Hämoglobin ist ein Protein in Blutzellen, das hilft, die Sauerstoffaufnahme zu erhöhen und zu einer roten Färbung der Zellen führt. Normalerweise brauchen Tiere Hämoglobin, um genug Sauerstoff zu bekommen, aber in den kalten, sauerstoffreichen Gewässern rund um die Antarktis haben Eisfische morphologische Veränderungen entwickelt, wie größere Herzen zum Pumpen von Blut, sodass sie kein Hämoglobin mehr brauchen, um genug Sauerstoff zu bekommen.

Trotz dieser extremen Spezialisierung ist eine Eisfischart namens Champsocephalus esox oder der Hecht-Eisfisch der Antarktis entkommen und lebt nun in wärmeren, weniger sauerstoffreichen südamerikanischen Gewässern. „Die Bewegung dieser Art in wärmere Gewässer warf ein interessantes evolutionäres Rätsel auf, das ich zu lösen versuchen wollte“, sagte Rivera-Colón. „Wenn Sie darauf spezialisiert sind, nur in sehr kalten Umgebungen zu leben, wie überleben Sie und passen Sie sich an diese neue wärmere Umgebung an?“

Um zu verstehen, wie sich das Genom des Fisches veränderte, als er in wärmere Gewässer wanderte, verglich Rivera-Colón die Genetik des Hecht-Eisfischs mit der einer antarktischen Eisfischart, C. gunnari. Das Team entnahm Gewebeproben, die von Mitarbeitern und Fischern aus Südchile, Südgeorgien und den Sandwichinseln gesammelt wurden, um die Genome zu sequenzieren.

„Dies ist das erste Mal, dass wir uns ein Genom einer Notothenoid-Art ansehen, die aus der Antarktis in diese neue gemäßigte Umgebung entkommen ist. Ein großer Teil davon ist darauf zurückzuführen, dass der Hecht-Eisfisch sehr selten und schwer fassbar ist, also auch die Hilfe dieser Fischer als Mitarbeiter für das Sammeln von Proben unverzichtbar war“, sagte Rivera-Colón. Die Forscher verwendeten kontinuierliche Long-Read-Sequenzierung, um für jede Fischart ein Genom auf Chromosomenebene zu generieren.

Nach dem Vergleich der Genome stellten sie fest, dass das Genom zwar zwischen den Arten hochgradig konserviert war, es jedoch Unterschiede in Bereichen des Hecht-Eisfisch-Genoms gab, die mit der Physiologie zusammenhängen, die sich ändern müsste, wenn die Fische in wärmere Gewässer ziehen. Überraschenderweise enthielt das Hecht-Eisfisch-Genom immer noch mehrere Kopien des Gens, das für AGFPs kodiert, aber die Gene waren voller Mutationen, die es funktionsunfähig machen könnten.

„In die meisten Gene waren Stop-Codons eingefügt“, erklärte Catchen. „Angenommen, alles funktioniert wie erwartet, würden wir sie nicht in AGFPs transkribieren sehen. Aber die Gene sind immer noch da und könnten vermutlich noch aktiv sein. Wir sind uns nicht sicher.“ Die Forscher sagen, dass Mutationen in diesem Gen in Kaltwasser-Kryonotothenioiden den Tod bedeuten könnten, wenn das Gen nicht mehr funktioniert, in wärmeren Gewässern hätte sich die Selektion auf dieses Gen in Hecht-Eisfischen gelockert, da die Fische sich nicht mehr davor schützen müssten Einfrieren.

Die Forscher fanden auch heraus, dass das Hecht-Eisfisch-Genom chromosomale Inversionen aufwies – wenn ein Teil des Chromosoms in der Orientierung umgedreht wird. „Wir wissen, dass Inversionen und andere chromosomale Veränderungen sehr wichtig sein können, um Anpassungsprozesse zu vermitteln und Barrieren zwischen Arten zu schaffen“, erklärte Rivera-Colón. „Sie hier zu finden deutet also darauf hin, dass sie für die Anpassung an die wärmere Umgebung in Südamerika wichtig sein könnten.“ Rivera-Colón erklärte weiter, dass Inversionen die Vermischung der beiden Arten erschweren und die Speziation zwischen den Schwesterarten beschleunigen könnten, obwohl sie sich erst vor weniger als 2 Millionen Jahren geteilt haben.

Der Hecht-Eisfisch hätte sich nicht nur entwickeln müssen, um in wärmeren Gewässern zu leben, sondern sich auch an eine andere Lichtumgebung anpassen müssen. Das Meer rund um die Antarktis ist die meiste Zeit des Jahres dunkel, und das Oberflächeneis blockiert einen Großteil des Lichts. Aber in gemäßigten Gewässern erleben Hecht-Eisfische einen normaleren Tag-Nacht-Zyklus. Das Team untersucht derzeit die Genexpression bei verwandten Fischen, um zu sehen, wie sich ihre Physiologie und ihr zirkadianer Rhythmus an diese neuen Lichtzyklen angepasst haben.

Die Forscher planen auch, die Genome und Mitochondrien eines anderen Paars verwandter Arten, Trematomus borchgrevinki und Notothenia angustata, zu untersuchen. Ähnlich wie in dieser Studie lebt T. borchgrevinki in den kalten Gewässern der Antarktis, während N. angustata sekundär in warme Gewässer an der Küste Neuseelands übergegangen ist. Die aktuelle Studie sowie diese geplante Studie über das andere Artenpaar werden den Forschern helfen, besser zu verstehen, wie Arten, die hochspezialisiert sind, um in bestimmten Umgebungen zu leben, entkommen und sich an neue Umgebungen anpassen können.

„Ich denke, einer der wirklich interessanten Aspekte dieser Studie ist, dass sie in Frage stellt, wie wir Geschichten darüber erzählen, warum die Evolution so gehandelt hat, wie sie es getan hat“, beschrieb Catchen. „Wir verwenden die klassische Geschichte des Eisfischs, um den Verlust von Hämoglobin aufgrund des kalten, sauerstoffreichen Wassers zu erklären, auf das er sich spezialisiert hat, aber dann haben Sie diese Art, die zu normalen Temperaturen zurückgekehrt ist und gut zurechtkommt. Die Selektion hat einen Organismus bis zum Äußersten gebracht diese Richtung, und dann hat sich die Umgebung verändert, und jetzt wird es in eine andere Richtung gedrängt.“

Rivera-Colón fügte hinzu: „Unsere Studie zeigt nur, dass diese Spezialisierung auf extreme Kälte keine evolutionäre Sackgasse ist, und sie hilft zu erklären, wie diese Übergänge in der Natur ablaufen.“

Die Studie mit dem Titel „Genomik der sekundären gemäßigten Anpassung im einzigen nicht-antarktischen Eisfisch“ ist in veröffentlicht Molekularbiologie & Evolution.