Rogoząb australijski – zagrożona wyginięciem ryba – jest jednym z nielicznych żyjących krewnych stworzeń, które jako pierwsze wyszły z wody na ląd – uważają naukowcy, którzy niedawno zsekwencjonowali jej genom, większy niż u jakiegokolwiek innego zwierzęcia. Analizy genomu ujawniły wyjątkową historię ewolucji gatunku i uderzające podobieństwa do kręgowców żyjących na lądzie.

Badania austriackich oraz niemieckich naukowców, które ukazały się na łamach „Nature” pokazały, że Rogoząb australijski (Neoceratodus forsteri) ma rekordowo długi genom, największy, jaki do tej pory zsekwencjonowano wśród zwierząt. Liczy on 43 miliardy par nukleotydów, czyli około 14 razy więcej niż genom człowieka.

Rogoząb australijski – żywa skamielina

Rogoząb australijski zamieszkuje wody stojące i wolno płynące. Z zapisu kopalnego wynika, że niegdyś gatunek ten był szeroko rozpowszechniony. Obecnie ryby te występują w kilku rzekach w Australii.

Ryby te należą do najbardziej pierwotnego gatunku ryb dwudysznych. Ich osobliwe ciało, przypominające nieco skrzyżowanie ryby z traszką, doprowadziło XIX-wiecznych odkrywców do błędnego zaklasyfikowania tych ryb jako płazów. Od tamtego czasu nasza wiedza znacznie się zwiększyła i obecnie wiemy, że ryby te należą do archaicznej grupy, z której w dewonie ewoluowały pierwsze czworonogi.

Jak przyznał Siegfried Schloissnig z Research Institute of Molecular Pathology w Austrii, jeden z autorów publikacji, wygląd tych ryb niewiele się zmienił od czasu, gdy zwierzęta te zaczęły przechodzić z wodnego stylu życia na lądowy. Ich umięśnione płetwy przypominają nieco w budowie kończyny czworonogów. Pojedyncze płuco, powstałe z pęcherza pławnego, pozwala oddychać powietrzem atmosferycznym w czasie susz, gdy rzeki wysychają, przejmując funkcję skrzeli.

Rogoząb australijski dożywa nawet 100 lat. Największe okazy mogą osiągać długość nawet dwóch metrów i ważyć kilkadziesiąt kilogramów.

Sekwencjonowanie

Jednak zanim kręgowce wodne po raz pierwszy postawiły płetwę na lądzie, rozwinęły cały zestaw cech potrzebnych do przetrwania na otwartej przestrzeni. Mocne kończyny czy płuca to tylko kilka przykładów. Ale jak te adaptacje odbiły się na genomie pierwszej ryby, która wyszła na ląd, pozostaje niejasne.

Naukowcy zsekwencjonowali właśnie genom tych ryb, który okazał się największym zsekwencjonowanym genomem wśród zwierząt do tej pory. Wymagało to nowych technik sekwencjonowania DNA i ogromnej mocy obliczeniowej, aby złożyć razem aż 43 miliardy nukleotydów („liter” w kodzie genetycznym).

Zanim maszyny sekwencjonujące zdekodowały miliardy par nukleotydów w genomie, rozbiły całą sekwencję na dziesiątki milionów krótkich fragmentów. Następnie naukowcy wykorzystując zaawansowane algorytmy komputerowe zebrali te fragmenty z powrotem w całość. To szczególnie trudne w przypadku dużych genomów, ponieważ zazwyczaj zawierają one wiele kopii tych samych fragmentów DNA – lub powtarzających się elementów – które sprawiają, że genom wygląda jak niezwykle złożona układanka o bardzo jednorodnym wzorze. Sekwencjonowanie, składanie i analizowanie bardzo dużych genomów wymaga zatem potężnych narzędzi obliczeniowych, które są w stanie obsłużyć ogromne ilości danych.

– Kiedy zsekwencjonowaliśmy i złożyliśmy gigantyczny genom meksykańskiego aksolotla w 2018 roku, nie spodziewaliśmy się, że w tak krótkim czasie natrafimy na jeszcze większy genom. W przypadku ryb dwudysznych czekała nas nie lada niespodzianka – przyznała Elly Tanaka z Research Institute of Molecular Pathology.

– Genom ryb dwudysznych wystawił naszą wiedzę na próbę, ale udało nam się uzyskać wysokiej jakości dane i ustanowić nowy rekord. Aby sprostać wyzwaniom stawianym przez genom ryb dwudysznych, musieliśmy dalej rozwijać i dostosowywać metody, które doprowadziły do ​​powstania sekwencji genomu aksolotla trzy lata temu. Nasz algorytm można teraz zastosować do każdego innego genomu i otwiera drzwi dla nowych, wymagających projektów sekwencjonowania – zaznaczył Schloissnig.

Podobieństwa do gatunków lądowych

Spośród sześciu wciąż żyjących gatunków dwudysznych, cztery to gatunki afrykańskie, jeden południowoamerykański i jeden australijski. Po raz pierwszy pojawiły się w zapisie kopalnym 400 milionów lat temu. Gatunek australijski zachował najbardziej pradawne cechy. Jego przedstawiciele wydają się przypominać swoich krewnych, którzy jako pierwszy opuścili środowiska wodne na rzecz lądowych – wskazują badacze. Sugeruje to też ich genom.

Ewolucyjna historia ryb dwudysznych jest od lat przedmiotem gorącej debaty naukowej. Uczeni nie mogą dojść do konsensusu, czy to one, czy może przedstawiciele celakantokształtnych – innej grupa archaicznych ryb – są bliżej spokrewnieni z płazami, gadami, ptakami i ssakami. Według tych badań, to właśnie rogozębowate są bliżej spokrewnione ze zwierzętami lądowymi. Celakantokształtne wcześniej się oddzieliły, ale to rogozębowate doprowadziły do wyewoluowania lądowych czworonogów – podkreślają badacze. Stało się to, jak sądzą, około 420 milionów lat temu.

Dzięki innowacyjnym technikom naukowcy nie tylko rozszyfrowali plan genetyczny ryb dwudysznych, ale także zbadali ekspresję genów w różnych tkankach. Nowa sekwencja genomu podkreśla podobieństwa między rogozębem australijskim a kręgowcami lądowymi. Na przykład liczba i poziomy ekspresji genów związanych z rozwojem płuc czy kończyn, a także zdolność do wykrywania zapachów przenoszonych przez powietrze. To sprawia, że rogoząb australijski ma cechy znacznie bliższe tym, które występują u płazów niż u innych ryb.

– Patrząc na to z perspektywy genomu, stworzenia te znajdują się w połowie drogi między rybą a kręgowcem lądowym – powiedział Schloissnig.

– Nie ma wątpliwości, że nowo zsekwencjonowany genom ujawni w przyszłości więcej sekretów tego dziwacznego kręgowca. Może nie tylko nauczyć nas, jak wyglądały adaptacje do życia na lądzie, ale również wyjaśnić, w jaki sposób niektóre genomy ewoluują do tak dużych rozmiarów – powiedziała Tanaka.

 

 

 

ŹródłoResearch Institute of Molecular Pathology, New Scientist
2.3 3 votes
Article Rating