Sill och strömming en guldgruva för genetiska studier av ekologisk anpassning

En central fråga för hur nya arter och biologisk mångfald uppstår är hur olika arter anpassar sig genetiskt till olika livsbetingelser. I en ny studie, där DNA från 19 populationer av sill och strömming undersökts, visas att hundratals gener ligger bakom strömmingens anpassning till det bräckta vattnet i Östersjön, samt hur tidpunkten för leken regleras. Studien publiceras idag i eLife.

Sillen är en av de vanligaste fiskarna i världen och har under en stor del av Sveriges och norra Europas historia varit av kritisk betydelse för livsmedelsförsörjningen. Ett enda stim av sill kan bestå av en miljard fiskar och man har beräknat att den rom som sillen lägger längs Norges kuster motsvarar tre gånger vikten av hela Norges befolkning! Tidigare studier av sill och strömming baserat på en handfull gener har indikerat nästan obefintliga genetiska skillnader mellan sill och strömming. Detta var oväntat eftersom sillen är en av de få marina fiskar som kan fortplanta sig i hela Östersjön där salthalten på vissa ställen är bara en tiondel av vad den är i Atlanten. Det finns två olika tänkbara förklaringar till dessa oväntade resultat. Antingen kan sillen anpassa sig till olika miljöer utan att det krävs några genetiska förändringar eller så är det bara precis de gener som har att göra med sillens ekologiska anpassning som skiljer sig åt mellan sill och strömming.

- Jag deltog själv i en av dessa tidiga studier av sillens genetik när jag var student vid Stockholms universitet i slutet på 1970-talet och under de senaste 35 åren har jag inte kunnat släppa sillens gåta, berättar Leif Andersson professor vid Uppsala universitet, SLU och Texas A&M University, som har lett studien. Jag var övertygad om att vi med den nya teknologin som nu gör det möjligt att kartlägga hela arvsmassan från vilken art som helst skulle få det slutgiltiga svaret på gåtan.

- Vår nya studie visar att sillen är en nära nog perfekt modell för att studera gener som förklarar ekologisk anpassning, fortsätter Leif Andersson. Det beror dels på att sillen uppvisar en intressant förmåga att anpassa sig till olika livsmiljöer, som Atlanten och Östersjön, samt att populationsstorleken är så otroligt stor att slumpmässiga förändringar i frekvensen av olika genvarianter är försumbara. Det innebär att möjligheten att påvisa naturlig selektion på gennivå är extremt fördelaktig hos sill och strömming.

Forskargruppen har nu bestämt hela DNA-sekvensen från ett tusental fiskar från 19 olika stickprov från Östersjön och Västerhavet och kunnat påvisa hundratals genvarianter kopplade till strömmingens anpassning till Östersjön. De har även påvisat genvarianter som är kopplade till lektid genom att jämföra sill och strömming som leker på våren eller hösten. Detta är viktigt eftersom det är helt central för en arts anpassning till sin miljö att den förökar sig när det råder optimala förhållanden för avkommans överlevnad. Vidare så visar studien att både förändringar i proteinernas struktur samt i genernas reglering har varit avgörande för den genetiska anpassningen. Forskarna kunde också visa att flera av de genvarianter som de upptäckte föreföll ha utvecklats under en längre period och då ackumulerat flera genetiska förändringar i samma gen.

- Sillen har uppenbarligen en särskilt innehållsrik ”verktygslåda” av genvarianter som behövs för anpassningen till olika miljöer, säger Sangeet Lamichhaney, doktorand och en av artikelns försteförfattare. Olika populationer av sill och strömming använder olika kombinationer av dessa genvarianter för optimal ekologisk anpassning. Till exempel, en höstlekande strömming och en vårlekande strömming bär samma genvarianter som behövs för anpassning till Östersjön, men den höstlekande strömmingen är betydligt mer lik en höstlekande sill än en vårlekande strömming för de genvarianter som styr lektid.

Studien har också ett antal viktiga praktiska tillämpningar.

- Det kommersiella sillfisket är det femte största fisket i världen. Den otroliga mängd ny information vi nu tagit fram om sillens biologi kommer att kunna användas för att mer noggrant skilja olika bestånd och följa deras utveckling vilket kommer förbättra möjligheten att bedriva ett hållbart fiske, förklarar Alvaro Martinez Barrio forskare vid Science for Life Laboratory. Vidare är våra fynd om sillens reproduktionsbiologi högst relevanta för att förstå hur sillen och andrar arter påverkas av klimatförändringar eftersom den globala uppvärmningen gör att den optimala tiden för fortplantning kan infalla tidigare på året.

Det som kännetecknar god vetenskap är att samtidigt som den löser gamla frågeställningar ställer nya frågor som behöver besvaras med ny forskning. Forskargruppen har nu identifierat mer än 500 genvarianter som haft betydelse för sillens ekologiska anpassning och dessa resultat utgör en guldgruva för ny forskning eftersom den kopplar samman specifika gener till olika egenskaper hos sill och strömming. Nästa steg blir nu att försöka klarlägga mer specifikt hur de olika genvarianterna bidrar till ekologisk anpassning.

- Jag känner mig övertygad om att vi kommer att kunna generera ny basal kunskap om gener vars funktion är ofullständigt kända och att denna kunskap kommer ha relevans för humanmedicinen eftersom majoriteten av sillens gener också finns hos människan och gener har ofta en liknande funktion hos olika arter, säger Leif Andersson.

Studien publiceras på tidskriftens webb den 3 maj.

För mer information kontakta:

Professor Leif Andersson, Uppsala universitet, SLU & Texas A&M University, Telefon: 018-471 49 04 eller 070-514 49 04, e-post: Leif.Andersson@imbim.uu.se