Il DNA extra può rendere possibile un pesce ibrido improbabile
Le loro madri erano storioni russi – grandi carnivori con pance cremose, musi corti e arrotondati e squame verdi e simili a draghi. I loro padri erano paddlefish americani – alimentatori di filtri dalla pelle liscia con musi sensibili e allungati. Lo "Sturddlefish", dato che questi ibridi sono stati soprannominati da quando i ricercatori ungheresi hanno recentemente annunciato la loro creazione , vanno incredibilmente oltre i classici incroci come muli e ligri, le cui specie madri siedono vicine sull'albero della vita. Lo Sturddlefish deriva dalla fusione di diverse famiglie tassonomiche.
"Sono ancora confuso. La mia mascella è ancora sul pavimento ”, ha dichiarato Prosanta Chakrabarty , ittiologo presso la Louisiana State University e curatore di pesci presso il suo Museo di scienze naturali. "È come se avessero una mucca e una giraffa per fare un bambino." Quindi si è rapidamente corretto, perché i lignaggi di quei due ruminanti si sono divisi solo poche decine di milioni di anni fa. I percorsi evolutivi di paddlefish e storioni divergevano 184 milioni di anni fa. Per quei pesci allevare è più simile a "se un essere umano uscisse da un uovo di ornitorinco", ha detto.
Gli ibridi sono spesso scrollati di dosso come strane violazioni viventi delle regole che mantengono distinte le specie. Ma l'interesse scientifico nei loro confronti è cresciuto con la crescente evidenza che in natura gli ibridi possono essere importanti sia nell'emergere di nuove specie sia nella conservazione delle specie sull'orlo dell'estinzione.
Poiché i nuovi pesci pollaio sono così radicali, stanno scuotendo la comprensione degli scienziati su quali tipi di ibridi potrebbero essere possibili e quali specie potrebbero essere più inclini a incrociarsi con successo. Gli studi sul nuovo pesce potrebbero anche essere pronti a fornire approfondimenti su come i genomi funzionano più in generale.
Determinazione del caviale e del sesso
L'ibridazione di questi storioni e paddlefish è stata involontaria, ma non è stato precisamente un incidente. In effetti, i ricercatori che l'hanno organizzato contavano sulla croce per fallire in modo da poter imparare qualcosa su come il sesso è determinato negli storioni russi.
Nei mammiferi e negli uccelli, il sesso maschile e femminile è solitamente determinato da geni specifici del sesso sui cromosomi specifici del sesso. Ma tra i pesci, tutto va bene: alcuni pesci hanno cromosomi sessuali, mentre altri prendono spunti di sviluppo sessuale dal loro ambiente o passaggio da un sesso all'altro. Nessuno è abbastanza sicuro di come lo fanno gli storioni, ma molti sono curiosi di sapere perché le uova di storione sono molto apprezzate come caviale (alcuni caviale di fascia alta vendono per oltre $ 180 l'oncia). Se i ricercatori riuscissero a capire come allevare gli stock di storioni russi che sono prevalentemente femmine, potrebbe alleviare un famigerato problema con la pesca eccessiva delle popolazioni selvatiche.
Un modo per determinare ciò che determina il sesso degli storioni russi è la ginogenesi, una forma di riproduzione asessuata in cui un uovo e uno spermatozoo si fondono, ma solo i geni della madre vengono trasmessi all'embrione risultante. "Volete attivare l'uovo, ma non volete alcun contributo del DNA da parte del maschio", ha spiegato Ken Semmens , un biologo dell'acquacoltura della Kentucky State University. La ginogenesi a volte si presenta naturalmente tra i pesci, ma i biologi marini e l'industria dell'acquacoltura lo usano anche come strumento per studiare la determinazione del sesso: tutta la prole è essenzialmente un mezzo clone della madre, quindi se tutte sono femmine, allora sai che le femmine sono determinati dall'avere una coppia di cromosomi sessuali identici – come nei mammiferi. Se la prole è tutta maschio, allora le femmine sono il sesso con due cromosomi diversi (come nel caso degli uccelli). Se solo alcuni sono maschi … beh, allora anche un fattore ambientale è in gioco.
L'anno scorso presso l' Istituto di ricerca per la pesca e l'acquacoltura in Ungheria, l'ingegnere di acquacoltura Jenő Káldy , insieme all'ecologa del pesce Attila Mozsár , stava sperimentando la ginogenesi sugli storioni russi sotto la direzione del genetista dell'acquacoltura Miklós Bercsényi dell'Università di Pannonia. A tal fine, i ricercatori ungheresi avevano bisogno di sperma che non potesse fertilizzare le uova di storione.
Lo sperma di paddlefish sembrava una scommessa sicura. Il pesce paddle americano ( Polyodon spathula ), che è diploide, ha 60 coppie di cromosomi, mentre gli storioni russi ( Acipenser gueldenstaedtii ), che sono tetraploidi, hanno quattro serie per un totale di circa 250 cromosomi (i cromosomi sono così numerosi e alcuni sono così piccoli che è difficile contarli in modo affidabile). Quasi 200 milioni di anni di evoluzione indipendente avrebbero dovuto seminare il DNA delle due specie con innumerevoli disallineamenti genetici e incompatibilità – dai geni mancanti e aggiunti, ai riarrangiamenti e ai trasferimenti di geni, alle modifiche mutazionali all'espressione genica. Sembrava certo che le cellule ibride avrebbero avuto difficoltà a capire come allineare i loro cromosomi durante la divisione cellulare e quali geni attivare o disattivare.
Inoltre, gli acquacoltori avevano precedentemente utilizzato lo sperma del pesce palude per innescare la ginogenesi in altre specie di storioni e viceversa , e nessuno di questi esperimenti aveva mai prodotto incroci. La squadra ungherese aveva tutte le ragioni per essere fiduciosa che i loro pesci non potevano ibridarsi.
Ma quando Káldy e Mozsár hanno esposto le uova di storione russo a spermatozoi sani come controllo per il loro esperimento, sono rimasti sbalorditi nel vedere che la stragrande maggioranza delle uova covate nella prole ibrida viva. "Mi hanno chiamato e mi hanno detto che qualcosa non va, perché tutto il controllo è vivo", ha ricordato Bercsényi. “Ho detto, 'Jenő, hai fatto un grosso errore. Per favore, ripeti l'esperimento. "" E così fece Káldy, ma il risultato fu lo stesso.
"Non abbiamo mai voluto giocare con l'ibridazione", ha detto Mozsár. "Era solo un controllo negativo, che ha trovato, in qualche modo, un modo di vivere."
All'inizio, Káldy non credeva che gli avannotti fossero ibridi: dato che sembravano giovani storioni come i giovani, potrebbero essere venuti dalla ginogenesi spontanea o da qualche altra "spiegazione più ragionevole", ha detto. Ma un'analisi genomica di Gyöngyvér Fazekas , collega dell'Istituto di ricerca per la pesca e l'acquacoltura, e Balázs Kovács , un genetista dell'acquacoltura dell'Università di Szent István, hanno confermato che il team aveva effettivamente più di un centinaio di ibridi in crescita nei loro serbatoi.
Come il team di Bercsényi lo ha descritto nel loro recente articolo su Genes , alcuni ibridi hanno tre copie di ciascun cromosoma, un mezzo genoma di ciascun genitore. Ma altri ibridi hanno cinque copie di ciascun cromosoma: in qualche modo hanno ricevuto l'equivalente del genoma completo della madre dello storione più un mezzo genoma dal padre paddlefish. I corpi dello storione combinano le caratteristiche di entrambi i genitori, ma quelli con più DNA di storione assomigliano più alla madre – hanno ad esempio più squame di storione chiamate scute.
Il DNA extra potrebbe essere abbastanza
Come possono esistere questi ibridi apparentemente impossibili?
L'intuizione di Chakrabarty è che la risposta sta nel tasso di evoluzione relativamente lento che si verifica in questo gruppo di pesci. I Polyodontidae (paddlefishes) e Acipenseridae (storioni) sono le ultime famiglie viventi nell'ordine Acipenseriformes, e studi suggeriscono che entrambi hanno tassi di mutazione molto lenti. Nonostante gli eoni dell'evoluzione indipendente che li separano, forse i loro genomi non sono abbastanza divergenti da vietare l'ibridazione. Ma ciò solleva la questione del perché i precedenti tentativi di ibridazione tra storioni e pesci paddle siano falliti.
Semmens si appoggia a una diversa ipotesi: che l'ibridazione di successo abbia a che fare con il genoma extra-large dello storione russo. I genomicisti pensano che gli antenati degli storioni fossero diploidi fino a quando tutti i loro cromosomi non raddoppiarono e il pesce divenne tetraploide. Ma solo alcune specie – compresi gli storioni russi – hanno conservato i loro cromosomi extra. Di conseguenza, è possibile che il genoma dello storione russo abbia sufficienti ridondanze e variazioni sui geni per aiutare gli ibridi a sopravvivere alle discrepanze nel DNA dei loro genitori.
Negli anni '80, Semmens tentò di produrre uno sturddlefish combinando lo sperma di storioni di shovelnose con uova di paddlefish; le uova hanno iniziato a svilupparsi ma poi si sono ritirate. Poiché entrambe le specie di pesci sono considerate diploidi, nessuno dei due aveva un DNA "extra" da offrire come un tetraploide. "Forse è questo il motivo per cui il loro ibrido ha funzionato e il nostro ibrido no", rifletté Semmens.
Arrivare al fondo di questo mistero rivelerà inevitabilmente molto su come le barriere riproduttive funzionano a livello genetico, non solo nei pesci primitivi ma in altri animali. "Studiare questo tipo di ibrido può aiutare molto a comprendere i processi evolutivi", ha detto Bercsényi, "e offrono buoni strumenti anche per studiare la funzione dei geni". Ad esempio, sia gli storioni che i pesci paddle hanno molti microcromosomi super piccoli che sono capiti male. Chakrabarty è ansioso di vedere se il pesce palla può aiutare i ricercatori a capire come funzionano i microcromosomi.
Il team di Bercsényi non ha intenzione di produrre subito altri pesci robusti, ma collaboreranno con ricercatori in Giappone e altrove per studiarli. Se gli ibridi si dimostrano più duri in cattività rispetto al loro pesce genitore, o se producono più uova, è più che probabile che qualcuno ne voglia più.
In questo momento, tuttavia, non è chiaro se gli ibridi produrranno persino uova o se quelle uova saranno vitali, ha avvertito Bercsényi. Gli ittiologi non possono nemmeno distinguere maschi e femmine prima che i pesci abbiano due anni. Data la lenta maturazione di entrambe le specie parentali, Bercsényi afferma che ci vorrà un "minimo di tre anni" per allevare i pesci in acqua calda (20 gradi Celsius) prima che si sappia se sono fertili.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/extra-dna-may-make-unlikely-hybrid-fish-possible-20200805/ in data Wed, 05 Aug 2020 14:20:19 +0000.