Геномная основа адаптаций, различий между видами и механизмов видообразования

Исследование эволюционного биолога профессора Акселя Мейера из Констанцского университета и его команды на основе данных о молодых видах цихлид в кратерных озёрах Никарагуа показало, что эволюционное расхождение популяции в новый вид в одной географической области (симпатрическое видообразование) более вероятно, когда в формировании видовых различий задействовано множество генов по всему геному. Новые виды могут возникать всего за несколько сотен лет. Это противоречит ранее установленной теории о том, что видообразование — медленный процесс, и что экологически важные межвидовые различия с простой, ограниченной генетической архитектурой с большей вероятностью приводят к образованию нового вида, чем различия на полигенной основе. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Какие гены и сколько их участвует в видообразовании?

Фокус исследования — молодые виды цихлид, часто возрастом всего в несколько сотен поколений, в кратерных озёрах Никарагуа. Все эти рыбы произошли от одних и тех же более древних исходных популяций из двух больших озёр Никарагуа, но в каждом кратерном озере существуют популяции или небольшие видовые комплексы с специфическими фенотипическими различиями (например, выраженные губы, золотистая или чёрно-белая окраска, форма тела, форма зубов), которые, по-видимому, развивались независимо в нескольких озёрах.

Эти фенотипы возникли в пределах одного озера (симпатрическое видообразование) без внешних барьеров. Вариации признаков генетически укоренены в исходной популяции, как показал анализ полных геномов почти 500 рыб из каждого из небольших озёр. Это не независимые новые мутации, а сортировка и отбор одних и тех же исходных генетических вариантов, которые по-разному перераспределились в отдельных озёрах. Фенотипически различные популяции в озёрах также предпочитают спариваться между собой.

Многие гены имеют большой эффект

Секвенирование более 450 рыбьих геномов, эксперименты по скрещиванию и полногеномный поиск ассоциаций (GWA) показали, что заметные различия, такие как размер губ и окраска, определяются в геномах этих популяций всего одним или двумя локально ограниченными участками генома по менделевскому типу наследования. Эти гены не привели к геномным различиям в масштабе всего генома, как можно было бы ожидать между видами.

Напротив, другие симпатрические виды с менее заметными фенотипическими различиями в форме тела и особой форме зубов показали гораздо бо́льшие геномные генетические различия. Это означает, что многие гены во многих позициях генома вносят небольшой вклад в генетическую дифференциацию, и их эффекты, суммируясь по всему геному, приводят к возникновению новых видов. Количество мутаций во всём геноме между этими молодыми видами в 10 раз выше, чем у физически очень разных полиморфизмов (например, крупногубых или золотистых vs чёрно-белых полосатых рыб), которые не представляют собой уникальные виды.

Комбинированный эффект многих генов сильнее влияет на развитие новых видов. «Это противоречит значительной части теории, согласно которой отдельные локусы с большим эффектом на внешний вид видов должны вызывать более быстрое развитие новых видов», — отмечает Аксель Мейер. По критерию среднего различия во всём геноме, рыбы с такими заметными фенотипическими различиями тем не менее не являются разными видами, а находятся на уровне полиморфизмов в континууме видообразования.

Кратерные озёра как природный эксперимент

Географическая ситуация делает кратерные озёра естественным экспериментом. Исходные рыбные популяции происходят из двух более старых соседних озёр, связи с которыми нет. Эта цепь кратерных озёр была заселена рыбными популяциями независимо друг от друга. Заселение каждого из семи меньших озёр произошло где-то между несколькими сотнями и несколькими тысячами поколений назад, и колонизировавших озёр рыб было не очень много.

Возникновение новых видов может, как показано здесь, происходить гораздо быстрее, чем считалось ранее. Мейер сравнивает озёра с чашками Петри, засеянными одинаковым генетическим материалом, которые независимо эволюционируют на протяжении поколений.