DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33487-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501110
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Edith Tittarelli وآخرون
الموضوع الرئيسي: التvariations الكروموسومية والجينية
نظرة عامة
تدرس الدراسة آثار تغير المناخ على التنوع البيولوجي البحري في القارة القطبية الجنوبية، مع التركيز على سمكة الروكود الزمردية (Trematomus bernacchii)، وهي نوع معرض بشكل خاص لارتفاع درجات الحرارة. نظرًا للتكيفات الفريدة لفاونا القارة القطبية الجنوبية، تؤكد الأبحاث على دور العناصر القابلة للنقل (TEs) في استجابة السمكة للإجهاد الحراري. من المعروف أن TEs تنشط تحت ظروف الضغط، مما يؤثر على مرونة الجينوم وتنظيم الجينات.
تكشف النتائج أن الإجهاد الحراري يحفز تنشيطًا مؤقتًا لـ TEs في خياشيم T. bernacchii، يتبعه زيادة في آليات الكبت التي تهدف إلى استعادة الاستقرار الجينومي. تسلط هذه الاستجابة الضوء على دور مسارات التدخل RNA والمنظمين الوراثيين في الدفاع الجينومي ضد الضغوط البيئية. بالإضافة إلى ذلك، تلاحظ الدراسة استراتيجيات تنظيمية محددة للأنسجة تعتبر حاسمة للحفاظ على الوظيفة الفسيولوجية في ظل الظروف المتغيرة. بشكل عام، تساهم الأبحاث في فهم التكيفات الجزيئية لأسماك القارة القطبية الجنوبية، مشيرة إلى أن TEs ومساراتها التنظيمية تلعب دورًا كبيرًا في المرونة الجينومية والمرونة استجابة لتغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على معدلات الاحترار العالمي المقلقة، لا سيما في المحيط الجنوبي، الذي يشهد تغييرات كبيرة في درجات الحرارة قد تؤثر سلبًا على أنظمته البيئية الفريدة. تعتبر الكائنات البحرية في القارة القطبية الجنوبية، وخاصة الأسماك من عائلة Nototheniidae، ضرورية للتوازن البيئي في المحيط الجنوبي، حيث تعمل كحلقة وصل بين المستويات الغذائية الأدنى والمفترسات العليا. من الجدير بالذكر أن Trematomus bernacchii، وهو نوع رئيسي لدراسة الاستجابات الفسيولوجية لتغير المناخ، أظهر بعض القدرة على التكيف الحراري على الرغم من تصنيفه تقليديًا على أنه ضيق الحرارة. تشير الأبحاث إلى أنه بينما يظهر T. bernacchii تعويضًا أيضيًا وبعض التغيرات في التعبير الجيني استجابة للاحتباس الحراري، فإنه يكافح لإطلاق استجابة صدمة حرارية، مما قد يحد من قابليته للتكيف على المدى الطويل.
تستكشف الورقة أيضًا دور العناصر القابلة للنقل (TEs) في الاستجابة النسخية لـ T. bernacchii للإجهاد الحراري. قد تلعب TEs، التي يمكن أن تؤثر على التعبير الجيني من خلال تسلسلاتها التنظيمية، دورًا كبيرًا في تكيف السمكة مع التغيرات البيئية. تدرس الدراسة بشكل خاص النشاط النسخي لـ TEs وآليات كبتها في خياشيم وكبد T. bernacchii عند تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة (+1 °C و +3 °C مقارنةً بالتحكم عند 0 °C). نظرًا لأن الخياشيم معرضة مباشرة للبيئة والكبد متورط في تنظيم الحرارة، فإن فهم هذه الاستجابات أمر حاسم لتقييم مرونة أنواع الأسماك في القارة القطبية الجنوبية في مواجهة تغير المناخ.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع اثني عشر فردًا بالغًا من *T. bernacchii* من بحر روس باستخدام خطوط يدوية مع طعوم صناعية على أعماق تتراوح بين 60-100 م. كانت العينات، التي بلغ متوسط طولها 23.76 ± 2.99 سم ووزنها 211.92 ± 80.40 جرام، قد نُقلت إلى حوض الأكواريوم في محطة الأبحاث الإيطالية ماريو زوكيللي. هنا، تم وضعها في خزانات سعة 100 لتر مع مياه بحرية مؤكسجة من عمق 5 أمتار لمحاكاة موطنها الطبيعي. تم إجراء فترة تأقلم لمدة خمسة أيام عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 0.01 ± 0.02 °C، مع الحفاظ على ظروف إضاءة منخفضة لتقليل الإجهاد. خلال هذه الفترة، لم يتم إطعام الأسماك، وتم مراقبة جودة المياه لضمان ظروف مثالية.
بعد التأقلم، تم توزيع الأسماك عشوائيًا إما إلى مجموعة تحكم، تم الحفاظ عليها عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 0 °C، أو مجموعة تجريبية، خضعت لزيادة تدريجية في درجة الحرارة. تم الاحتفاظ بالمجموعة التجريبية في البداية عند 0 °C لمدة يوم واحد، تليها زيادة مضبوطة قدرها +1 ± 0.24 °C كل أربعة أيام، مما أدى في النهاية إلى الوصول إلى +3 ± 0.26 °C على مدار 15 يومًا. تم تصميم بروتوكول زيادة درجة الحرارة هذا لتقليل الوفيات وعكس الديناميات الحرارية الطبيعية، مع الالتزام بالقيود اللوجستية المرتبطة بأعمال الحقل في القارة القطبية الجنوبية. كما تم مراقبة مؤشرات سلوكية لتقييم التعافي طوال التجربة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج الناتجة عن اختبارات مختلفة، مع تسليط الضوء على النتائج الإحصائية المهمة وآثارها. غالبًا ما يتم تمثيل البيانات من خلال جداول وأشكال، توضح الاتجاهات والعلاقات بين المتغيرات المدروسة.
قد يتضمن القسم أيضًا مقارنات بين المجموعات التجريبية، مما يظهر فعالية العلاجات أو التدخلات المختلفة. يتم تقييم الأهمية الإحصائية عادةً باستخدام قيم p، مع تحديد عتبات لتحديد موثوقية النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتأكيد الفرضيات المطروحة في المقدمة ويوفر أساسًا للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة التي توصل إليها المؤلفون.
المناقشة
تكشف الأبحاث حول *Trematomus bernacchii* عن رؤى مهمة حول استجابة الجينوم للكائن للإجهاد الحراري، لا سيما فيما يتعلق بالعناصر القابلة للنقل (TEs) وآلياتها التنظيمية. وجدت الدراسة أن التعرض لدرجات حرارة مرتفعة يحفز تنشيطًا مؤقتًا لـ TEs، يتبعه زيادة في آليات الكبت التي تهدف إلى الحفاظ على الاستقرار الجينومي. من الجدير بالذكر أن الكبد أظهر استجابة أكثر تنسيقًا مقارنة بالخياشيم، التي أظهرت زيادة مستدامة في كل من TEs وجينات الكبت، على الأرجح بسبب حساسيتها المتزايدة لتغيرات درجة الحرارة.
أشارت التحليلات الجينومية إلى أن TEs تشكل جزءًا كبيرًا من جينوم *T. bernacchii*، حيث كانت الترانسبوزونات DNA وLINE retrotransposons الأكثر انتشارًا. اقترحت تحليل مسافة كيمورا اندفاعًا حديثًا لنشاط TE، حيث أظهرت العديد من النسخ تباينًا منخفضًا في التسلسل، مما يدل على إدخالات حديثة. تم تغيير النشاط النسخي لـ TEs بشكل كبير تحت الإجهاد الحراري، مع ملاحظات لملفات تعبير متميزة بين العينات الضابطة والعينات المعرضة للحرارة. في الكبد، كانت الغالبية العظمى من TEs المعبر عنها بشكل مختلف (DETEs) منخفضة التعبير، بينما في الخياشيم، كانت معظم DETEs مرتفعة التعبير، مما يبرز الاستجابات المحددة للأنسجة تجاه الإجهاد. علاوة على ذلك، أشارت تعبير الجينات المشاركة في كبت TE، لا سيما بروتينات Argonaute ومعدلات الكروماتين، إلى وجود آلية قمع نشطة استجابة لتحريك TE، مما يشير إلى توازن تنظيمي معقد يهدف إلى التخفيف من عدم الاستقرار الجينومي المحتمل الناجم عن تنشيط TE. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على الدور الحاسم لـ TEs في الاستجابات التكيفية لـ *T. bernacchii* لتغير المناخ، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث في الآثار طويلة الأجل لديناميات TE في أنواع الأسماك القطبية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33487-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501110
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Edith Tittarelli et al.
Primary Topic: Chromosomal and Genetic Variations
Overview
The study investigates the effects of climate change on Antarctic marine biodiversity, focusing on the emerald rockcod (Trematomus bernacchii), a species particularly susceptible to rising temperatures. Given the unique adaptations of Antarctic fauna, the research emphasizes the role of transposable elements (TEs) in the fish’s response to thermal stress. TEs are known to activate under stress conditions, influencing genome plasticity and gene regulation.
The findings reveal that thermal stress induces transient activation of TEs in the gills of T. bernacchii, followed by an upregulation of silencing mechanisms aimed at restoring genomic stability. This response highlights the involvement of RNA interference pathways and epigenetic regulators in genome defense against environmental stressors. Additionally, the study notes tissue-specific regulatory strategies that are crucial for maintaining physiological function amidst changing conditions. Overall, the research contributes to understanding the molecular adaptations of Antarctic fish, suggesting that TEs and their regulatory pathways play a significant role in genomic resilience and plasticity in response to climate change.
Introduction
The introduction of the paper highlights the alarming rates of global warming, particularly in the Southern Ocean, which is experiencing significant temperature changes that could adversely affect its unique ecosystems. Antarctic marine organisms, especially fish from the Nototheniidae family, are crucial to the Southern Ocean’s ecological balance, serving as a link between lower trophic levels and top predators. Notably, Trematomus bernacchii, a key species for studying physiological responses to climate change, has shown some capacity for thermal acclimation despite being traditionally classified as stenothermic. Research indicates that while T. bernacchii exhibits metabolic compensation and some gene expression changes in response to warming, it struggles to mount a heat shock response, which may limit its long-term adaptability.
The paper further explores the role of transposable elements (TEs) in the transcriptional response of T. bernacchii to thermal stress. TEs, which can influence gene expression through their regulatory sequences, may play a significant role in the fish’s adaptation to environmental changes. The study specifically investigates the transcriptional activity of TEs and their silencing mechanisms in the gills and liver of T. bernacchii when exposed to elevated temperatures (+1 °C and +3 °C compared to a control of 0 °C). Given that gills are directly exposed to the environment and the liver is involved in thermoregulation, understanding these responses is critical for assessing the resilience of Antarctic fish species in the face of climate change.
Methods
In this study, twelve adult individuals of *T. bernacchii* were collected from the Ross Sea using hand lines with artificial baits at depths of 60-100 m. The specimens, averaging 23.76 ± 2.99 cm in length and 211.92 ± 80.40 g in weight, were transported to the Mario Zucchelli Italian research station’s aquarium facility. Here, they were housed in 100L tanks with aerated seawater from a depth of 5 meters to mimic their natural habitat. A five-day acclimation period was conducted at a constant temperature of 0.01 ± 0.02 °C, with low-light conditions maintained to reduce stress. During this period, fish were not fed, and water quality was monitored to ensure optimal conditions.
Following acclimation, the fish were randomly assigned to either a control group, maintained at a constant temperature of 0 °C, or an experimental group, which underwent a gradual temperature increase. The experimental group was initially kept at 0 °C for one day, followed by a controlled increase of +1 ± 0.24 °C every four days, ultimately reaching +3 ± 0.26 °C over a total of 15 days. This temperature increase protocol was designed to minimize mortality and reflect natural thermal dynamics, adhering to logistical constraints associated with Antarctic fieldwork. Behavioral indicators were also observed to assess recovery throughout the experiment.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of various tests, highlighting significant statistical results and their implications. The data is often represented through tables and figures, which illustrate trends and relationships among the variables studied.
The section may also include comparisons between experimental groups, showcasing the effectiveness of different treatments or interventions. Statistical significance is typically assessed using p-values, with thresholds set to determine the reliability of the findings. Overall, this section serves to validate the hypotheses posed in the introduction and provides a foundation for the subsequent discussion and conclusions drawn by the authors.
Discussion
The research on *Trematomus bernacchii* reveals significant insights into the organism’s genomic response to thermal stress, particularly concerning transposable elements (TEs) and their regulatory mechanisms. The study found that exposure to elevated temperatures induced a transient activation of TEs, which was followed by the upregulation of silencing mechanisms aimed at maintaining genomic stability. Notably, the liver exhibited a more coordinated response compared to the gills, which showed sustained upregulation of both TEs and silencing genes, likely due to their heightened sensitivity to temperature changes.
The genomic analysis indicated that TEs constitute a substantial portion of the *T. bernacchii* genome, with DNA transposons and LINE retrotransposons being the most prevalent. The Kimura distance analysis suggested a recent burst of TE activity, with many copies showing low sequence divergence, indicative of recent insertions. The transcriptional activity of TEs was significantly altered under thermal stress, with distinct expression profiles observed between control and temperature-exposed samples. In the liver, a majority of differentially expressed TEs (DETEs) were downregulated, while in the gills, most DETEs were upregulated, highlighting tissue-specific responses to stress. Furthermore, the expression of genes involved in TE silencing, particularly Argonaute proteins and chromatin modifiers, indicated an active repression mechanism in response to TE mobilization, suggesting a complex regulatory balance aimed at mitigating potential genomic instability caused by TE activation. Overall, these findings underscore the critical role of TEs in the adaptive responses of *T. bernacchii* to climate change, emphasizing the need for further research into the long-term implications of TE dynamics in polar fish species.