Как дерево бабочек превращается в сеть
Эволюцию часто изображают в виде дерева, где новые виды ответвляются от существующих линий и больше не пересекаются. Однако реальность часто гораздо сложнее. В случае адаптивной радиации, когда виды быстро диверсифицируются, чтобы занять разные экологические ниши, бывает трудно восстановить родственные связи, и филогения (эволюционное дерево) может выглядеть скорее как куст. Это происходит потому, что линии могут продолжать скрещиваться по мере образования новых видов и/или они могут дивергировать, а затем повторно гибридизироваться, что приводит к генетически смешанным популяциям (адмикстура). Даже после расхождения видов может происходить перенос генов от одного вида к другому (интрогрессия). Всё это формирует сеть родственных видов, а не простое дерево. Масштабы этих процессов и их эволюционное и геномное влияние изучены недостаточно, отчасти из-за «древовидных» допущений моделей, используемых для построения филогении.
В новом исследовании в Genome Biology and Evolution под названием «Повсеместная геномная адмикстура в радиации Heliconius» Кшиштоф Козак из Кембриджского университета и его коллеги демонстрируют ключевую роль межвидового потока генов в континентальной адаптивной радиации бабочек рода Heliconius. Это исследование дополняет обширную литературу о Heliconius — роде, который предоставил одни из самых ранних доказательств теории эволюции благодаря характерным узорам и окраске крыльев, предупреждающим хищников о ядовитости бабочек.
По словам авторов, «неотропические бабочки Heliconius представляют отличную возможность для изучения частоты и важности потока генов в недавней адаптивной радиации из-за естественной склонности Heliconius и сестринского рода Eueides к образованию гибридов в дикой природе». Кроме того, гены, контролирующие узор крыльев, вероятно, являются главными мишенями для отбора и интрогрессии, позволяя разным ядовитым видам мимикрировать друг под друга и усиливать предупреждающий сигнал для хищников.
В исследовании использовались геномные данные 145 особей, представляющих 40 из 47 признанных видов Heliconius и 6 из 12 видов Eueides, что позволило провести всестороннее исследование отклонений от строгой древовидной модели. Анализ выявил несколько несоответствий в эволюционной истории отдельных генов, указывающих на возможность обширного потока генов между линиями. В целом авторы обнаружили 13 случаев межвидового потока генов по всей филогении, выявив схему обмена генами, включающую все основные клады Heliconius. «Мы обнаружили, что поток генов между видами, ранее задокументированный у нескольких близкородственных видов, был обычным явлением для всей группы на протяжении миллионов лет», — отмечает доктор Козак, — «включая как существующие, так и предковые линии».
Интересно, что при анализе генов, известных своим участием в формировании узора и цвета крыльев, авторы нашли свидетельства сложных паттернов потока генов между несколькими линиями. Это подтверждает предыдущие сообщения, а также выявляет новые случаи интрогрессии. По словам доктора Козака, «это предоставляет дополнительные веские доказательства того, что гибридизация была важным механизмом в эволюции узоров крыльев, а обмен соответствующими генами между многими линиями позволил Heliconius отпугивать птиц-хищников». Это делает Heliconius одним из немногих известных примеров линии, испытавшей адаптивную интрогрессию множества генов у нескольких разных видов.
В будущем доктор Козак и коллеги планируют использовать полученные знания о Heliconius для моделирования их филогении как сетей, а не деревьев. Это позволит лучше понять эволюцию других признаков бабочек — «от пространственного обучения до разнообразных наборов феромонов и защитных токсинов». Кроме того, они надеются связать свои результаты с географическим распространением Heliconius: «Нам необходимо изучить географическую изменчивость и исследовать как частоту гибридизации (спаривания особей разных видов), так и уровни потока генов (геномную сигнатуру смешения) между различными популяциями, что до сих пор было сделано лишь для нескольких видов». Однако эта работа, вероятно, будет сопряжена со значительными трудностями, поскольку многие виды и популяции Heliconius редки и встречаются только в удалённых местах, что требует масштабных полевых работ.
По мере расширения всеобъемлющих геномных наборов данных доктор Козак надеется исследовать другие организмы, чтобы понять, насколько широко распространён такой межвидовой поток генов. «Как всегда в эволюционной биологии, мы должны спросить, насколько наши выводы применимы к другим таксонам. Очень немногие бабочки, да и насекомые в целом, изучены пока в такой глубине: предстоит выяснить, сколько свидетельств общегеномной адмикстуры мы сможем найти во всём огромном разнообразии насекомых».