Niesporczaki mogą być ostatecznymi ocalałymi z natury. Chociaż te maleńkie, prawie przezroczyste zwierzęta można łatwo przeoczyć, reprezentują one zróżnicowaną grupę, która z powodzeniem skolonizowała środowiska słodkowodne, morskie i lądowe na każdym kontynencie, w tym na Antarktydzie. Te niezwykłe stworzenia, powszechnie znane jako „niedźwiedzie wodne”, mogą należeć do najbardziej odpornych organizmów na planecie dzięki ich niezrównanej zdolności do przetrwania w ekstremalnych warunkach, przy czym różne gatunki są odporne na suszę, wysokie dawki promieniowania, środowisko o niskiej zawartości tlenu i jedno i drugie. wysokie i niskie temperatury i ciśnienia. Chociaż sugeruje się, że liczne geny przyczyniają się do tej ekstremotlerancji, kompleksowe zrozumienie pochodzenia i historii tych unikalnych adaptacji pozostaje nieuchwytne. W nowym badaniu opublikowanym w Biologia i ewolucja genomunaukowcy z Instytutu Zaawansowanych Biologii Uniwersytetu Keio, Muzeum Historii Naturalnej Uniwersytetu w Oslo i Uniwersytetu w Bristolu odkrywają zaskakująco skomplikowaną sieć duplikacji i strat genów związanych z ekstremalną tolerancją niesporczaków, podkreślając złożony krajobraz genetyczny, który napędza współczesną ekologię niesporczaków.

Jedną z form ekstremotolerancji jest to, że niesporczaki mogą przetrwać prawie całkowite wyschnięcie, przechodząc w stan uśpienia zwany anhydrobiozą (tj, życie bez wody), co pozwala im odwracalnie zatrzymać metabolizm. Wcześniej odkryto, że wiele rodzin genów specyficznych dla niesporczaków jest powiązanych z anhydrobiozą. Trzy z tych rodzin genów określa się jako cytozolowe, mitochondrialne i wydzielnicze białka rozpuszczalne w wysokiej temperaturze (odpowiednio CAHS, MAHS i SAHS) w zależności od lokalizacji komórkowej, w której białka ulegają ekspresji. Wydaje się, że niektóre niesporczaki posiadają wariant szlaku, który obejmuje dwie rodziny obfitych białek rozpuszczalnych w cieple po raz pierwszy zidentyfikowany u niesporczaków Echiniscus testudo I zwykle określane jako EtAHS alfa i beta. Niesporczaki posiadają również geny odporności na stres, które można znaleźć szerzej u zwierząt, takie jak gen rekombinacji mejotycznej 11 (MRE11), który ma związek z tolerancją na wysychanie u innych zwierząt. Niestety, od czasu identyfikacji tych rodzin genów, dostępne są ograniczone informacje na temat większości linii niesporczaków, co utrudnia wyciąganie wniosków na temat ich pochodzenia, historii i implikacji ekologicznych.

Aby lepiej rzucić światło na ewolucję ekstremotlerancji niesporczaków, autorzy nowego badania – James Fleming, Davide Pisani i Kazuharu Arakawa – zidentyfikowali sekwencje z tych sześciu rodzin genów z 13 rodzajów niesporczaków, w tym przedstawicieli obu głównych linii niesporczaków , eutardigrady i heterotardigrady. Ich analiza ujawniła sekwencje 74 CAHS, 8 MAHS, 29 SAHS, 22 EtAHS alfa, 18 EtAHS beta i 21 MRE11, co pozwoliło im zbudować pierwsze filogenezy niesporczaków dla tych rodzin genów.

Ponieważ odporność na wysychanie prawdopodobnie pojawiła się w wyniku adaptacji do środowiska lądowego, autorzy założyli, że znajdą związek między duplikacjami i stratami genów w tych rodzinach genów a zmianami siedlisk niesporczaków. „Kiedy rozpoczynaliśmy prace, spodziewaliśmy się, że każdy klad będzie wyraźnie pogrupowany wokół starożytnych duplikacji, z kilkoma niezależnymi stratami. Pomoże nam to łatwo powiązać je ze zrozumieniem współczesnych siedlisk i ekologii” – mówi główny autor badania, Jamesa Fleminga. „To intuicyjna hipoteza” – kontynuuje – „że ewolucja duplikacji genów związanych z wysychaniem powinna teoretycznie zawierać pozostałości historii ekologicznej tych organizmów, chociaż w rzeczywistości okazało się to zbyt uproszczone .”

Zamiast tego autorzy byli zaskoczeni samą liczbą niezależnych duplikacji genów rozpuszczalnych w cieple, co dało znacznie bardziej złożony obraz ewolucji genów związanych z anhydrobiozą. Warto jednak zauważyć, że nie było wyraźnego związku między gatunkami silnie anhydrobiotycznymi a liczbą genów związanych z anhydrobiozą, jakie posiadał dany gatunek. „To, co odkryliśmy, było znacznie bardziej ekscytujące” – mówi Fleming – „złożona sieć niezależnych zysków i strat, która niekoniecznie ma związek z ekologią współczesnych gatunków lądowych”.

Pomimo braku związku między duplikacjami genów a ekologią niesporczaków, badanie dostarczyło kluczowego wglądu w główne przejścia, które doprowadziły do ​​nabycia anhydrobiozy. Odrębne rozmieszczenie rodzin genów w dwóch głównych grupach niesporczaków – CAHS, MAHS i SAHS u Eutardigrade oraz EtAHS alfa i beta u Heterotardigrades – sugerują, że w obrębie niesporczaków wystąpiły dwa niezależne przejścia ze środowiska morskiego do środowiska limno-lądowego, raz u przodka Eutardigradu i raz w obrębie Heterotardigradu.

Badania te stanowią znaczący krok naprzód w naszym zrozumieniu ewolucji anhydrobiozy u niesporczaków. Stanowi także podstawę dla przyszłych badań nad ekstremotlerancją niesporczaków, które będą wymagały ciągłego rozwoju zasobów genomowych z bardziej zróżnicowanych linii niesporczaków.

Niestety nie mamy przedstawicieli kilku ważnych rodzin, takich jak Isohypsibiidae, co ogranicza to, jak mocno możemy obstawać przy naszych wnioskach. Dzięki większej liczbie próbek niesporczaków słodkowodnych i morskich będziemy w stanie lepiej ocenić adaptacje lądowych członków tej grupy”.

James Fleming, główny autor badania

Niestety, niektóre niesporczaki mogą być szczególnie nieuchwytne, co stanowi główną przeszkodę w takich badaniach. Jako przykład, Tanarctus bubulubusjeden z ulubionych niesporczaków Fleminga, jest zbyt mały, aby można go było zobaczyć gołym okiem i występuje wyłącznie w osadach północnego Atlantyku na głębokości około 150 m.

„Mamy nadzieję” – mówi Fleming – „inicjatywy sekwencjonowania na dużą skalę realizowane w ramach projektu Earth Biogenome Project będą stale wypełniać tę lukę w naszym rozumieniu i cieszę się, że ten wysiłek będzie kontynuowany”.