Tamanho do Genoma e Adaptação de Algas Eucarióticas

Através do vasto espectro da vida, os genomas nucleares exibem variações impressionantes, diferindo até 200.000 vezes. Tamanho do genoma emerge como um determinante profundo intimamente ligado às características das espécies, abrangendo morfologia, ecologia e trajetórias evolutivas. Embora seja evidente que células maiores normalmente possuem genomas maiores, os fatores subjacentes que governam o tamanho do genoma permanecem enigmáticos. A 'hipótese do DNA egoísta' postula que um excesso de DNA dentro de uma célula impõe um fardo energético, com células maiores demonstrando uma capacidade de acomodar genomas mais extensos, podendo assim albergar um maior complemento de genes não codificantes. No entanto, esta teoria encontra a sua base em evidências circunstanciais limitadas, como a observação de que espécies com genomas maiores frequentemente exibem taxas metabólicas, processos de desenvolvimento e taxas de crescimento mais lentos. Isso leva-nos a questionar a existência de uma relação causal direta entre o tamanho do genoma e a aptidão de um organismo. O tamanho do genoma é uma adaptação deliberada ou simplesmente um subproduto do processo evolutivo?

Desenho Experimental

Neste experimento, setenta e duas linhagens originárias da mesma população ancestral de D. tertiolecta foram introduzidos em frascos de cultura celular estéreis. Subsequentemente, todas estas linhagens passaram por seleção quinzenal utilizando centrifugação diferencial. Este processo de seleção incluiu 30 linhagens com células grandes, 30 com células pequenas e 12 linhagens de controlo que experienciaram as mesmas condições, mas não foram especificamente escolhidas com base no tamanho. No final do período de seleção, todas as culturas foram re-inoculadas em meio f / 2 fresco.

As amostras celulares foram recolhidas após 350, 450 ou 500 gerações de seleção manual. A geração 350 e 450 focaram na análise do tamanho celular e do tamanho do núcleo. Para a geração 500, a avaliação incluiu medições do tamanho celular, crescimento populacional e conteúdo de DNA.

Evolução do Tamanho da Célula, Tamanho do Núcleo e Conteúdo de DNA

Após 350 a 500 gerações de seleção artificial, pareceram haver mudanças direcionais limitadas no tamanho das células ao longo do tempo. O volume médio da célula foi de 97 mm^3 para a linhagem de células pequenas, 177 mm^3 para as células de controlo e 915 mm^3 para a linhagem de células grandes. Notavelmente, a linhagem de células grandes era 9,4 vezes maior do que a linhagem de células pequenas e 5,2 vezes maior do que a linhagem de células de controlo. Além disso, houve uma correlação positiva pronunciada entre o tamanho das células, o volume nuclear e o conteúdo total de DNA celular. Esta robusta correlação positiva entre o tamanho da célula, o tamanho do núcleo e o conteúdo total de DNA é tipicamente observada em células fotossintéticas, enquanto difere de outros microrganismos, como as leveduras, onde o conteúdo total de DNA não está ligado ao tamanho do núcleo.

Adaptação e Tamanho Relativo do Genoma

O estudo revelou que a taxa máxima de crescimento e a capacidade de suporte para a biomassa total diminuíram com o aumento do conteúdo de DNA, independentemente do tamanho das células. Era evidente que as células que possuíam genomas relativamente pequenos exibiam um crescimento mais rápido e acumulavam mais biomassa do que as células com genomas relativamente grandes, independentemente do tamanho celular. Estas descobertas estão alinhadas com as previsões da 'hipótese do DNA egoísta', sugerindo que genomas relativamente menores genomas pode alcançar uma biomassa mais elevada na capacidade de suporte.

Utilização de Energia e Tamanho Relativo do Genoma

A pesquisa também descobriu que células maiores consumiam mais energia, consistente com estudos anteriores. Simultaneamente, linhagens com genomas relativamente maiores possuíam mais energia líquida. O tamanho relativo do genoma não influenciou o consumo de energia, mas correlacionou-se com uma taxa aumentada de fotossíntese, resultando em uma maior utilização de energia líquida. Consequentemente, linhagens com relativamente genomas grandes exibiram taxas de crescimento mais lentas e menor biomassa quando os recursos eram abundantes. No entanto, tinham mais energia acessível do que linhagens com genomas relativamente pequenos.

A taxa de crescimento e a capacidade de suporte diminuem com o aumento do conteúdo de DNA independente do tamanho. (Malerba et al., 2020)

Trajetórias Evolutivas do Tamanho Absoluto do Genoma

Após 250 gerações de seleção artificial, foram observadas mudanças mínimas no tamanho das células entre diferentes linhagens celulares. O conteúdo relativo de DNA das células diminuiu gradualmente entre as gerações 350 e 450, com a extensão da diminuição a correlacionar-se com o tamanho celular. Especificamente, o conteúdo de DNA das células grandes diminuiu progressivamente da geração 350 à 450, um fenómeno não observado nas células pequenas. Esta redução no conteúdo de DNA ocorreu sem alterar o volume celular. Estes resultados sugerem que o grau de redução do tamanho relativo do genoma aumenta com o tamanho celular e absoluto. genoma tamanho, possivelmente indicando a presença de um tamanho genómico absoluto mínimo dentro desta espécie, que limita a extensão da redução do genoma em linhas celulares pequenas.

As informações de estudos evolutivos que utilizam a mesma linhagem de espécies eucarióticas sugerem que a correlação positiva observada entre o tamanho da célula e o tamanho do genoma na natureza pode resultar de pressões evolutivas opostas, com o objetivo de minimizar o conteúdo de DNA redundante dentro das células, mantendo ao mesmo tempo funções essenciais a um nível mínimo.

Relações entre o volume celular e o conteúdo de DNA celular em linhagens de Dunaliella tertiolecta após 350 (linha sólida) e 450 (linha tracejada) gerações de seleção artificial para tamanho. (Malerba et al., 2020)

Referência:

1. Malerba, Martino E., Giulia Ghedini, e Dustin J. Marshall. "O tamanho do genoma afeta a aptidão na alga eucariota Dunaliella tertiolecta." Biologia Atual 30.17 (2020): 3450-3456.