Επιπλέον DNA μπορεί να κάνει πιθανά απίθανο υβριδικό ψάρι

Οι μητέρες τους ήταν Ρώσοι οξύρρυγχοι — μεγάλα σαρκοφάγα με κρεμώδεις κοιλιές, κοντό, στρογγυλεμένο ρύγχος και πράσινα λέπια σαν δράκο. Οι πατέρες τους ήταν αμερικανοί κουπιά - τροφοδότες φίλτρου με λείο δέρμα με ευαίσθητο, μακρόστενο ρύγχος. Το «Sturddlefish», όπως έχουν ονομαστεί αυτά τα υβρίδια από τότε που ερευνητές στην Ουγγαρία ανακοίνωσαν πρόσφατα τη δημιουργία τους, ξεπερνούν συγκλονιστικά πολύ τις κλασικές διασταυρώσεις όπως τα μουλάρια και οι λίγκρες, των οποίων τα μητρικά είδη βρίσκονται κοντά στο δέντρο της ζωής. Το Sturddlefish προκύπτει από τη συγχώνευση διαφορετικών ταξινομικών οικογενειών.

«Είμαι ακόμα μπερδεμένος. Το σαγόνι μου είναι ακόμα στο πάτωμα», είπε η Prosanta Chakrabarty, ιχθυολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα και επιμελήτρια ψαριών στο Μουσείο Φυσικών Επιστημών του. «Είναι σαν να είχαν μια αγελάδα και μια καμηλοπάρδαλη να κάνουν μωρό». Μετά διορθώθηκε γρήγορα, γιατί οι γενεαλογίες αυτών των δύο μηρυκαστικών χωρίστηκαν μόλις πριν από μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Τα εξελικτικά μονοπάτια των κουπιών και των οξύρρυγχων διέφεραν πριν από 184 εκατομμύρια χρόνια. Για να αναπαραχθούν αυτά τα ψάρια μοιάζει περισσότερο με "αν ένας άνθρωπος βγήκε από ένα αυγό πλατύποδα", είπε.

Τα υβρίδια συχνά απορρίπτονται ως παράξενες παραβιάσεις των κανόνων που διατηρούν τα είδη ξεχωριστά. Όμως το επιστημονικό ενδιαφέρον γι' αυτά έχει αυξηθεί με αυξανόμενες ενδείξεις ότι στη φύση τα υβρίδια μπορεί να είναι σημαντικά τόσο για την εμφάνιση νέων ειδών όσο και για τη διατήρηση ειδών στα πρόθυρα της εξαφάνισης.

Επειδή τα νέα sturddlefish είναι τόσο ριζοσπαστικά, κλονίζουν την κατανόηση των επιστημόνων για το ποια είδη υβριδίων μπορεί να είναι δυνατά και ποια είδη μπορεί να είναι πιο επιρρεπή στην επιτυχή διασταύρωση. Οι μελέτες των νέων ψαριών θα μπορούσαν επίσης να είναι έτοιμες να παρέχουν βαθιές γνώσεις για το πώς λειτουργούν τα γονιδιώματα γενικότερα.

Χαβιάρι και προσδιορισμός φύλου

Ο υβριδισμός αυτών των οξύρρυγχων και των κουπιών ήταν ακούσιος, αλλά δεν ήταν ακριβώς ατύχημα. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές που το κανόνισαν υπολόγιζαν στο σταυρό για να αποτύχουν, ώστε να μάθουν κάτι για το πώς καθορίζεται το φύλο στους Ρώσους οξύρρυγχους.

Στα θηλαστικά και τα πτηνά, το αρσενικό και το θηλυκό φύλο καθορίζεται συνήθως από γονίδια που σχετίζονται με το φύλο σε χρωμοσώματα ειδικά για το φύλο. Αλλά μεταξύ των ψαριών, όλα πάνε:Μερικά ψάρια έχουν φυλετικά χρωμοσώματα, ενώ άλλα παίρνουν σημάδια σεξουαλικής ανάπτυξης από το περιβάλλον τους ή μεταβαίνουν από το ένα φύλο στο άλλο. Κανείς δεν είναι σίγουρος πώς το κάνουν οι οξύρρυγχοι, αλλά πολλοί είναι πρόθυμοι να μάθουν επειδή τα αυγά του οξύρρυγχου εκτιμώνται ιδιαίτερα ως χαβιάρι (ορισμένα χαβιάρια υψηλής ποιότητας πωλούνται για περισσότερα από 180 δολάρια η ουγγιά). Εάν οι ερευνητές καταφέρουν να καταλάβουν πώς να εκτρέφουν αποθέματα ρωσικού οξύρρυγχου που είναι κυρίως θηλυκά, θα μπορούσε να ανακουφίσει ένα διαβόητο πρόβλημα με την υπεραλίευση άγριων πληθυσμών.

Ένας τρόπος για να προσδιοριστεί τι καθορίζει το φύλο των Ρώσων οξύρρυγχων είναι η γυναικεία γένεση - μια μορφή ασεξουαλικής αναπαραγωγής στην οποία ένα ωάριο και ένα σπέρμα συγχωνεύονται, αλλά μόνο τα γονίδια της μητέρας μεταδίδονται στο έμβρυο που προκύπτει. «Θέλετε να ενεργοποιήσετε το ωάριο, αλλά δεν θέλετε καμία συνεισφορά DNA από το αρσενικό», εξήγησε ο Ken Semmens, βιολόγος υδατοκαλλιέργειας στο Πανεπιστήμιο του Κεντάκι. Η γυναικογένεση εμφανίζεται μερικές φορές φυσικά μεταξύ των ψαριών, αλλά οι θαλάσσιοι βιολόγοι και η βιομηχανία υδατοκαλλιέργειας τη χρησιμοποιούν επίσης ως εργαλείο για τη μελέτη του προσδιορισμού του φύλου:Όλοι οι απόγονοι είναι ουσιαστικά μισοί κλώνοι της μητέρας τους, οπότε αν όλα είναι θηλυκά, τότε ξέρετε ότι τα θηλυκά καθορίζονται έχοντας ένα ζευγάρι πανομοιότυπων φυλετικών χρωμοσωμάτων — όπως στα θηλαστικά. Εάν οι απόγονοι είναι όλοι αρσενικοί, τότε τα θηλυκά είναι το φύλο με δύο διαφορετικά χρωμοσώματα (κάτι που συμβαίνει στα πτηνά). Αν μόνο μερικοί είναι άντρες… λοιπόν, τότε παίζει και κάποιος περιβαλλοντικός παράγοντας.

Πέρυσι στο Ερευνητικό Ινστιτούτο για την Αλιεία και την Υδατοκαλλιέργεια στην Ουγγαρία, ο μηχανικός υδατοκαλλιέργειας Jenő Káldy, μαζί με τον ιχθυοοικολόγο Attila Mozsár, πειραματίζονταν με τη γυναικογένεση σε Ρώσους οξύρρυγχους υπό τη διεύθυνση του γενετιστή υδατοκαλλιέργειας Miklós Bercsényi του Πανεπιστημίου του. Για τον σκοπό αυτό, οι Ούγγροι ερευνητές χρειάζονταν σπέρμα που δεν θα μπορούσε να γονιμοποιήσει τα ωάρια του οξύρρυγχου.

Το σπέρμα Paddlefish έμοιαζε με ασφαλές στοίχημα. Αμερικάνικο ψάρι κουπιών (Σπαθούλα Polyodon ), που είναι διπλοειδή, έχουν 60 ζεύγη χρωμοσωμάτων, ενώ οι Ρώσοι οξύρρυγχοι (Acipenser gueldenstaedtii ), τα οποία είναι τετραπλοειδή, έχουν τέσσερα σύνολα που έχουν συνολικά περίπου 250 χρωμοσώματα (τα χρωμοσώματα είναι τόσο πολλά και μερικά είναι τόσο μικρά που είναι δύσκολο να τα μετρήσουμε αξιόπιστα). Σχεδόν 200 εκατομμύρια χρόνια ανεξάρτητης εξέλιξης θα έπρεπε να έχουν σπείρει το DNA των δύο ειδών με αμέτρητες γενετικές αναντιστοιχίες και ασυμβατότητες - από γονίδια που λείπουν και προστέθηκαν, έως αναδιατάξεις και μετατοπίσεις γονιδίων, έως τροποποιήσεις μετάλλαξης στη γονιδιακή έκφραση. Φαινόταν βέβαιο ότι τα υβριδικά κύτταρα θα δυσκολεύονταν να καταλάβουν πώς να παρατάξουν τα χρωμοσώματά τους κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης και ποια γονίδια να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν.

Επιπλέον, οι υδατοκαλλιεργητές είχαν χρησιμοποιήσει προηγουμένως σπέρμα από ψάρια κουπιών για να ενεργοποιήσουν τη γυναικεία γένεση σε άλλα είδη οξύρρυγχου και αντίστροφα, και κανένα από αυτά τα πειράματα δεν είχε ποτέ δημιουργήσει διασταυρώσεις. Η ουγγρική ομάδα είχε κάθε λόγο να είναι σίγουρη ότι τα ψάρια της δεν μπορούσαν να υβριδοποιηθούν.

Αλλά όταν ο Káldy και ο Mozsár εξέθεσαν τα αυγά του ρωσικού οξύρρυγχου σε υγιές σπέρμα κωπηλασίας ως έλεγχο για το πείραμά τους, έμειναν έκπληκτοι βλέποντας ότι η συντριπτική πλειονότητα των αυγών εκκολάφθηκαν σε ζωντανούς υβριδικούς απογόνους. «Με κάλεσαν και μου είπαν ότι κάτι δεν πάει καλά, γιατί όλος ο έλεγχος είναι ζωντανός», θυμάται ο Bercsényi. «Είπα, «Jenő, έκανες μεγάλο λάθος. Παρακαλώ επαναλάβετε το πείραμα.» Και έτσι έκανε ο Káldy — αλλά το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο.

«Δεν θέλαμε ποτέ να παίξουμε με τον υβριδισμό», είπε ο Mozsár. "Ήταν απλώς ένας αρνητικός έλεγχος, ο οποίος βρήκε, κατά κάποιο τρόπο, έναν τρόπο ζωής."

Στην αρχή, ο Káldy δεν πίστευε ότι τα γόνοι ήταν υβρίδια:Επειδή έμοιαζαν ακριβώς με τους κανονικούς οξύρρυγχους ως νέοι, μπορεί να προήλθαν από αυθόρμητη γυναικεία γένεση ή κάποια άλλη «πιο λογική εξήγηση», είπε. Αλλά μια γονιδιωματική ανάλυση από τον Gyöngyvér Fazekas, συνάδελφο στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Αλιείας και Υδατοκαλλιέργειας, και τον Balázs Kovács, γενετιστή υδατοκαλλιέργειας στο Πανεπιστήμιο Szent István, επιβεβαίωσε ότι η ομάδα είχε πράγματι περισσότερα από εκατό υβρίδια που αναπτύσσονταν στις δεξαμενές τους. P>

Όπως το περιέγραψε η ομάδα του Bercsényi στην πρόσφατη εργασία τους στο Genes , μερικά από τα υβρίδια έχουν τρία αντίγραφα από κάθε χρωμόσωμα, ένα μισό γονιδίωμα από κάθε γονέα. Αλλά άλλα υβρίδια έχουν πέντε αντίγραφα από κάθε χρωμόσωμα:κατά κάποιο τρόπο έλαβαν το ισοδύναμο του πλήρους γονιδιώματος της μαμάς οξύρρυγχου συν ένα μισό γονιδίωμα από τον μπαμπά τους. Τα σώματα του οξύρρυγχου συνδυάζουν χαρακτηριστικά και από τους δύο γονείς, αλλά αυτά με περισσότερο DNA οξύρρυγχου μοιάζουν περισσότερο με τη μητέρα τους — έχουν περισσότερα από τα χαρακτηριστικά λέπια οξύρρυγχου που ονομάζονται scutes, για παράδειγμα.

Επιπλέον DNA μπορεί να είναι αρκετό

Πώς μπορούν να υπάρχουν αυτά τα φαινομενικά αδύνατα υβρίδια;

Η ιδέα του Chakrabarty είναι ότι η απάντηση βρίσκεται στον σχετικά αργό ρυθμό εξέλιξης που συμβαίνει σε αυτή την ομάδα ψαριών. Τα Polyodontidae (paddlefishes) και Acipenseridae (οξυρρύγχοι) είναι οι τελευταίες ζωντανές οικογένειες της τάξης Acipenseriformes και οι μελέτες δείχνουν ότι και οι δύο έχουν πολύ αργούς ρυθμούς μετάλλαξης. Παρά τους αιώνες της ανεξάρτητης εξέλιξης που τους χωρίζει, ίσως το γονιδίωμά τους απλώς να μην έχει αποκλίνει αρκετά ώστε να απαγορεύσει τον υβριδισμό. Αλλά αυτό εγείρει το ερώτημα γιατί απέτυχαν προηγούμενες προσπάθειες υβριδισμού μεταξύ οξύρρυγχων και κουπιών.

Ο Semmens κλίνει προς μια διαφορετική υπόθεση:ότι ο επιτυχημένος υβριδισμός έχει να κάνει με το εξαιρετικά μεγάλο γονιδίωμα του ρωσικού οξύρρυγχου. Οι γονιδιωματολόγοι πιστεύουν ότι οι πρόγονοι των οξύρρυγχων ήταν διπλοειδείς έως ότου όλα τα χρωμοσώματά τους διπλασιάστηκαν και τα ψάρια έγιναν τετραπλοειδή. Αλλά μόνο ορισμένα είδη - συμπεριλαμβανομένων των ρωσικών οξύρρυγχων - διατήρησαν τα επιπλέον χρωμοσώματά τους. Ως αποτέλεσμα, είναι πιθανό το γονιδίωμα του ρωσικού οξύρρυγχου να φέρει αρκετές απολύσεις και παραλλαγές στα γονίδια για να βοηθήσει τα υβρίδια να επιβιώσουν από αναντιστοιχίες στο DNA των γονιών τους.

Πίσω στη δεκαετία του 1980, ο Semmens προσπάθησε να φτιάξει ένα sturddlefish συνδυάζοντας σπέρμα από οξύρρυγχο με φτυάρι με αυγά από paddlefish. τα αυγά άρχισαν να αναπτύσσονται αλλά μετά σταμάτησαν. Επειδή και τα δύο αυτά είδη ψαριών θεωρούνται διπλοειδή, κανένα δεν είχε «επιπλέον» DNA να προσφέρει ως τετραπλοειδή. "Ίσως αυτός είναι ο λόγος που το υβριδικό τους λειτούργησε και το δικό μας όχι", σκέφτηκε ο Semmens.

Το να φτάσουμε στο βάθος αυτού του μυστηρίου θα αποκαλύψει αναπόφευκτα πολλά για το πώς λειτουργούν τα αναπαραγωγικά εμπόδια σε γενετικό επίπεδο, όχι μόνο σε πρωτόγονα ψάρια αλλά και σε άλλα ζώα. «Η μελέτη αυτού του τύπου υβριδίου μπορεί να βοηθήσει πολύ στην κατανόηση των εξελικτικών διαδικασιών», είπε ο Bercsényi, «και προσφέρουν καλά εργαλεία επίσης για τη μελέτη της λειτουργίας των γονιδίων». Για παράδειγμα, οι οξύρρυγχοι και τα κουπιά έχουν και τα δύο πολλά εξαιρετικά μικρά μικροχρωμοσώματα που είναι ελάχιστα κατανοητά. Ο Chakrabarty είναι πρόθυμος να δει εάν το sturddlefish μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα μικροχρωμοσώματα.

Η ομάδα του Bercsényi δεν σκοπεύει να φτιάξει άλλα sturddlefish αμέσως, αλλά θα συνεργαστεί με ερευνητές στην Ιαπωνία και αλλού για να τα μελετήσει. Εάν τα υβρίδια αποδειχθούν πιο ανθεκτικά στην αιχμαλωσία από τα μητρικά τους ψάρια ή αν παράγουν περισσότερα αυγά, είναι περισσότερο από πιθανό κάποιος να θέλει περισσότερα από αυτά.

Αυτήν τη στιγμή, ωστόσο, δεν είναι σαφές εάν τα υβρίδια θα παράγουν ακόμη και αυγά ή εάν αυτά τα αυγά θα είναι βιώσιμα, προειδοποίησε ο Bercsényi. Οι ιχθυολόγοι δεν μπορούν καν να ξεχωρίσουν τα αρσενικά και τα θηλυκά πριν τα ψάρια γίνουν δύο ετών. Δεδομένης της αργής ωρίμανσης και των δύο μητρικών ειδών, ο Bercsényi λέει ότι θα χρειαστούν «τουλάχιστον τρία χρόνια» για την εκτροφή των ψαριών σε ζεστό νερό (20 βαθμοί Κελσίου) προτού γίνει γνωστό εάν είναι γόνιμα.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  TheAtlantic.com .