Jüngste Forschungen zu Bärtierchen legen eine komplexe genetische Grundlage für ihre extreme Widerstandsfähigkeit offen, stellen frühere Annahmen über ihre ökologischen Anpassungen in Frage und weisen auf unabhängige evolutionäre Ereignisse in ihrer Fähigkeit zur Anhydrobiose hin.
Bärtierchen könnten die ultimativen Überlebenskünstler der Natur sein. Während diese winzigen, fast durchsichtigen Tiere leicht übersehen werden, stellen sie eine vielfältige Gruppe dar, die Süßwasser-, Meeres- und Landumgebungen auf allen Kontinenten, einschließlich der Antarktis, erfolgreich besiedelt hat.
Diese ungewöhnlichen Kreaturen, die allgemein als „Wasserbären“ bekannt sind, gehören möglicherweise zu den widerstandsfähigsten Organismen auf dem Planeten, da sie beispiellos in der Lage sind, extreme Bedingungen mit unterschiedlichen Bedingungen zu überstehen Spezies Sie sind resistent gegen Trockenheit, hohe Strahlungsdosen, sauerstoffarme Umgebungen sowie hohe und niedrige Temperaturen und Drücke.
Obwohl vermutet wird, dass zahlreiche Gene zu dieser Extremotoleranz beitragen, ist ein umfassendes Verständnis der Ursprünge und der Geschichte dieser einzigartigen Anpassungen bislang unklar. In einer neuen Studie veröffentlicht in Genombiologie und EvolutionWissenschaftler am Keio University Institute for Advanced Biosciences, dem Universität Oslo Naturhistorisches Museum und das Universität Bristol enthüllen ein überraschend komplexes Netzwerk von Genduplikationen und -verlusten im Zusammenhang mit der Extremotoleranz von Bärtierchen und verdeutlichen die komplexe genetische Landschaft, die die moderne Bärtierchenökologie vorantreibt.
Bärtierchen-Genfamilien verstehen
Als eine Form der Extremotoleranz können Bärtierchen eine fast vollständige Austrocknung überleben, indem sie in einen Ruhezustand namens Anhydrobiose übergehen (dh, Leben ohne Wasser), wodurch sie ihren Stoffwechsel reversibel stoppen können. Zuvor wurde festgestellt, dass mehrere Bärtierchen-spezifische Genfamilien mit Anhydrobiose assoziiert sind.
Drei dieser Genfamilien werden als bezeichnet CYtosol, Mitochondrial und SAusscheidung Areichlich Hessen Slösliche Proteine (CAHS, MAHS bzw. SAHS) basierend auf dem zellulären Ort, an dem die Proteine exprimiert werden. Einige Bärtierchen scheinen über einen abweichenden Signalweg zu verfügen, an dem zwei Familien reichlich vorhandener hitzelöslicher Proteine beteiligt sind, die erstmals im Bärtierchen identifiziert wurden Echiniscus testudo und üblicherweise als EtAHS Alpha und Beta bezeichnet.
Ein Foto des Bärtierchens Ramazzottius varieornatus, im Zentrum einer Phylogenie von CAHS, der größten der sechs in dieser Studie analysierten austrocknungsbedingten Proteinfamilien. Bildnachweis: Kazuharu Arakawa, Keio Institute of Advanced Biosciences
Bärtierchen besitzen auch Stressresistenzgene, die bei Tieren im weiteren Sinne vorkommen, wie zum Beispiel das meiotische Rekombinations-11-Gen (MRE11), das bei anderen Tieren mit der Austrocknungstoleranz in Verbindung gebracht wird. Leider sind seit der Identifizierung dieser Genfamilien nur begrenzte Informationen über die meisten Bärtierchen-Abstammungslinien verfügbar, was es schwierig macht, Rückschlüsse auf deren Herkunft, Geschichte und ökologische Auswirkungen zu ziehen.
Untersuchung der Bärtierchenentwicklung
Um die Entwicklung der Bärtierchen-Extremotoleranz besser zu beleuchten, identifizierten die Autoren der neuen Studie – James Fleming, Davide Pisani und Kazuharu Arakawa – Sequenzen aus diesen sechs Genfamilien in 13 Bärtierchen-Gattungen, darunter Vertreter beider großer Bärtierchen-Linien. die Eutardigraden und Heterotardigraden. Ihre Analyse ergab 74 CAHS-, 8 MAHS-, 29 SAHS-, 22 EtAHS-Alpha-, 18 EtAHS-Beta- und 21 MRE11-Sequenzen, was es ihnen ermöglichte, die ersten Bärtierchen-Phylogenien für diese Genfamilien zu erstellen.
Da die Resistenz gegen Austrocknung wahrscheinlich als Anpassung an terrestrische Umgebungen entstanden ist, gingen die Autoren davon aus, dass sie einen Zusammenhang zwischen Genduplikationen und -verlusten in diesen Genfamilien und Lebensraumveränderungen innerhalb von Bärtierchen finden würden. „Als wir mit der Arbeit begannen, gingen wir davon aus, dass jede Gruppe klar um antike Duplikate gruppiert sein würde und nur wenige unabhängige Verluste aufwies. Das würde uns helfen, sie leicht mit einem Verständnis moderner Lebensräume und Ökologie zu verknüpfen“, sagt der Hauptautor der Studie, James Fleming. „Es ist eine intuitive Hypothese“, fährt er fort, „dass die Evolution der Duplikationen dieser mit der Austrocknung zusammenhängenden Gene theoretisch Überreste der ökologischen Geschichte dieser Organismen enthalten sollte, obwohl sich dies in Wirklichkeit als zu einfach herausstellte.“ .“
Stattdessen waren die Autoren von der schieren Anzahl unabhängiger Duplikationen hitzelöslicher Gene überrascht, die ein viel komplexeres Bild der Anhydrobiose-bedingten Genentwicklung zeichneten. Bemerkenswerterweise gab es jedoch keinen klaren Zusammenhang zwischen stark anhydrobiotischen Arten und der Anzahl der Anhydrobiose-bezogenen Gene, die eine Art besaß. „Was wir fanden, war weitaus aufregender“, sagt Fleming, „ein komplexes Netzwerk unabhängiger Gewinne und Verluste, das nicht unbedingt mit modernen terrestrischen Artenökologien korreliert.“
Unabhängige Anpassungen in Bärtierchen-Linien
Obwohl kein Zusammenhang zwischen Genduplikationen und der Ökologie der Bärtierchen besteht, lieferte die Studie entscheidende Einblicke in die wichtigsten Übergänge, die zum Erwerb der Anhydrobiose führten. Die unterschiedlichen Verteilungen der Genfamilien in den beiden Hauptgruppen der Bärtierchen – CAHS, MAHS und SAHS bei den Eutardigraden und EtAHS alpha und beta bei den Heterotardigraden – legen nahe, dass innerhalb der Bärtierchen einmal zwei unabhängige Übergänge von marinen zu limno-terrestrischen Umgebungen stattfanden der Vorfahr der Eutardigraden und einmal innerhalb der Heterotardigraden.
Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Entwicklung der Anhydrobiose bei Bärtierchen dar. Es bietet auch eine Grundlage für zukünftige Studien zur Extremotoleranz von Bärtierchen, die die kontinuierliche Entwicklung genomischer Ressourcen aus vielfältigeren Bärtierchen-Abstammungslinien erfordern.
„Leider haben wir keine Vertreter aus mehreren wichtigen Familien, wie etwa den Isohypsibiidae, und das schränkt uns ein, wie entschieden wir zu unseren Schlussfolgerungen stehen können“, bemerkt Fleming. „Mit mehr Süßwasser- und Meeresbärtierchenproben können wir die Anpassungen der terrestrischen Mitglieder der Gruppe besser einschätzen.“ Leider können einige Bärtierchen besonders schwer zu fassen sein, was ein großes Hindernis für solche Studien darstellt. Als Beispiel, Tanarctus bubulubus, eine von Flemings Lieblingsbärtierchen, ist zu klein, um sie mit bloßem Auge zu erkennen, und kommt nur in Sedimenten im Nordatlantik in Tiefen von etwa 150 m vor. „Hoffentlich“, sagt Fleming, „werden groß angelegte Sequenzierungsinitiativen im Rahmen des Earth Biogenome Project diese Lücke in unserem Verständnis stetig schließen, und ich freue mich, dass diese Bemühungen fortgesetzt werden.“
Referenz: „The Evolution of Temperature and Desiccation-Related Protein Families in Tardigrada Reveals a Complex Acquisition of Extremotolerance“ von James F. Fleming, Davide Pisani und Kazuharu Arakawa, 29. November 2023, Genombiologie und Evolution.
DOI: 10.1093/gbe/evad217