In una scoperta che sfida oltre un secolo di saggezza convenzionale evolutiva, è stato dimostrato che i coralli trasmettono mutazioni somatiche - modifiche alla sequenza del DNA che si verificano nelle cellule non riproduttive - alla loro prole. La scoperta, da parte di un team internazionale di scienziati guidati da biologi della Penn State, dimostra un potenziale nuovo percorso per la generazione della diversità genetica, che è la materia prima per l'adattamento evolutivo e potrebbe essere vitale per consentire ai coralli in via di estinzione di adattarsi ai rapidi cambiamenti ambientali condizioni.

"Affinché un tratto, come il tasso di crescita, si evolva, la base genetica di quel tratto deve essere trasmessa di generazione in generazione", ha affermato Iliana Baums, professoressa di biologia alla Penn State e leader del team di ricerca.

"Per la maggior parte degli animali, una nuova mutazione genetica può contribuire al cambiamento evolutivo solo se si verifica in una cellula germinale o riproduttiva, ad esempio in un uovo o in uno spermatozoo. Le mutazioni che si verificano nel resto del corpo, nelle cellule somatiche, erano ritenuti irrilevanti dal punto di vista evolutivo perché non vengono trasmessi alla prole. Tuttavia, sembra che i coralli abbiano un modo per aggirare questa barriera che sembra consentire loro di infrangere questa regola evolutiva."

Dai tempi di Darwin, la nostra comprensione dell'evoluzione è diventata sempre più dettagliata. Ora sappiamo che i tratti di un organismo sono fortemente determinati dalla sequenza del loro DNA. Gli individui in una popolazione variano nella sequenza del DNA e questa variazione genetica può portare alla variazione di tratti, come le dimensioni del corpo, che potrebbero dare a un individuo un vantaggio riproduttivo.

Solo raramente si verifica una nuova mutazione genetica che dia a un individuo un tale vantaggio riproduttivo e l'evoluzione può procedere ulteriormente solo se, e questa è la chiave, l'individuo può trasmettere il cambiamento alla sua prole.

"Nella maggior parte degli animali, le cellule riproduttive sono segregate dalle cellule del corpo all'inizio dello sviluppo", ha affermato Kate Vasquez Kuntz, una studentessa laureata alla Penn State e co-autrice principale dello studio.

"Quindi solo le mutazioni genetiche che si verificano nelle cellule riproduttive hanno il potenziale per contribuire all'evoluzione della specie. Questo lento processo di attesa di rare mutazioni in un particolare insieme di cellule può essere particolarmente problematico data la natura rapida del cambiamento climatico. Tuttavia , per alcuni organismi, come i coralli, la segregazione delle cellule riproduttive da tutte le altre cellule può verificarsi più tardi nello sviluppo o non verificarsi affatto, consentendo alle mutazioni genetiche di viaggiare dal corpo di un genitore alla sua prole. Ciò aumenterebbe la variazione genetica e potenzialmente anche servire come sistema di "pre-screening" per mutazioni vantaggiose."

I coralli possono riprodursi sia asessualmente (attraverso il germogliamento e la frammentazione delle colonie) che sessualmente, producendo ovuli e spermatozoi. Per i coralli Elkhorn studiati qui, che trasmettono i loro ovuli e spermatozoi nell'acqua durante gli eventi di deposizione delle uova, le uova di una colonia di coralli vengono solitamente fecondate dallo sperma di una colonia vicina.

Tuttavia, il team di ricerca ha scoperto che alcune uova di corallo Elkhorn si sono sviluppate in una prole vitale senza che fosse coinvolto un secondo corallo, una specie di riproduzione sessuale con un solo genitore.

"Questa riproduzione con un solo genitore ci ha permesso di cercare più facilmente potenziali mutazioni somatiche dal corallo genitore e di rintracciarle nella prole, semplificando il numero totale di possibilità genetiche che potrebbero verificarsi nella prole", ha affermato Sheila Kitchen, co-autore principale dello studio, un ricercatore post-dottorato presso la Penn State e il California Institute of Technology co-autore principale dello studio.

Il team di ricerca ha genotipizzato campioni, utilizzando uno strumento molecolare ad alta risoluzione chiamato microarray per studiare le differenze di DNA tra i campioni, provenienti da dieci diverse posizioni su una grande colonia di coralli Elkhorn che aveva prodotto prole monoparentale e campioni da cinque colonie vicine a quasi 20.000 posizioni genetiche.

I risultati hanno mostrato che tutte e sei le colonie di corallo separate appartenevano allo stesso genotipo di corallo originale (noto come "genet"), il che significa essenzialmente che erano cloni derivati ​​​​da una singola colonia originale attraverso la riproduzione asessuata e la frammentazione della colonia. Pertanto, qualsiasi variazione genetica trovata in questi coralli sarebbe stata il risultato di una mutazione somatica. Il team ha trovato un totale di 268 mutazioni somatiche nei campioni, con ogni campione di corallo che ospita da 2 a 149 mutazioni somatiche.

Il team ha quindi esaminato la progenie monoparentale della colonia di coralli di Elkhorn e ha scoperto che il 50% delle mutazioni somatiche era stato ereditato. L'esatto meccanismo di come le mutazioni somatiche si fanno strada nelle cellule germinali dei coralli è ancora sconosciuto, ma i ricercatori sospettano che la segregazione tra il corpo e le cellule germinali nei coralli possa essere incompleta e alcune cellule del corpo potrebbero mantenere la capacità di formare cellule germinali , permettendo alle mutazioni somatiche di farsi strada nella prole. Hanno anche trovato prove dell'eredità di mutazioni somatiche in alcuni discendenti dall'accoppiamento di due genitori di coralli separati, ma avranno bisogno di ulteriori studi per confermarlo.

"Poiché i coralli crescono come colonie di polipi geneticamente identici, le mutazioni somatiche che si verificano in un polipo di corallo possono essere esposte all'ambiente e sottoposte a screening per la loro utilità senza necessariamente influenzare l'intera colonia", ha affermato Baums.

"Pertanto, le cellule con mutazioni potenzialmente dannose possono morire e le cellule con mutazioni potenzialmente vantaggiose potrebbero prosperare e diffondersi mentre la colonia di coralli continua a crescere. Se queste mutazioni possono poi essere trasmesse alla prole, come abbiamo ora dimostrato, significa che i coralli disporre di uno strumento aggiuntivo che potrebbe essere in grado di accelerare il loro adattamento ai cambiamenti climatici."

Un articolo che descrive la ricerca appare sulla rivista Science Advances . + Esplora ulteriormente

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