21.12.2015

Различия между зарождающимися видами африканских цихлид записаны в «геномных островках видообразования»

В маленьком изолированном озере в Танзании, сформировавшемся 50 000 лет назад, обнаружены две формы цихлид из рода Astatotilapia, мелководная и глубоководная, находящиеся на ранней стадии симпатрического видообразования. Между двумя формами уже существуют серьезные морфологические и экологические различия, а также частичная презиготическая изоляция (предпочтение себе подобных в качестве половых партнеров). При этом генетический обмен между зарождающимися видами не прекратился полностью, а все различия между их геномами имеют количественный характер: одни аллели чаще встречаются у глубоководной расы, другие — у мелководной, но нет ни одного абсолютного (фиксированного) генетического различия. В геномах удалось выявить десятки компактных «островков видообразования», в которых сконцентрировано большинство различий между формами. Многие различия приурочены к генам, связанным с морфогенезом, гормональной регуляцией развития и зрительным восприятием, которое играет важную роль в видообразовании у африканских цихлид. Результаты изучения этой простой модельной системы помогут понять механизмы массового видообразования у цихлид в больших африканских озерах.

Реальность симпатрического видообразования перестала всерьез оспариваться лишь 10 лет назад, но за это время изучение генетических механизмов данного процесса уже успело превратиться в большую и серьезную науку. Одним из излюбленных объектов исследователей симпатрического видообразования были и остаются цихлиды африканских озер.

Самые впечатляющие свидетельства быстрого симпатрического видообразования — группы из сотен близкородственных эндемичных видов, освоивших разнообразные экологические ниши — обнаружены в озерах Виктория, Малави и Танганьика. Эти системы активно изучаются, но они слишком сложны для выяснения ряда важных вопросов. В сообществе из сотен близких видов трудно понять, даже на основе подробных генетических данных, кто от кого и в какой последовательности произошел, кто с кем продолжает скрещиваться и с какой частотой, существует ли приток генов из соседних водоемов. Трудно также исключить возможность того, что некоторые акты видообразования у цихлид больших озер могли происходить не по симпатрическому, а по аллопатрическому сценарию, то есть в географически разобщенных местообитаниях. Например, озеро Виктория в прошлом неоднократно пересыхало, подразделяясь на ряд мелких изолированных водоемов, и трудно сказать, какие из видов цихлид обособились именно в эти периоды временной изоляции, а какие оформились без помощи географических преград.

В качестве более простой модельной системы удобно использовать рыб из небольших, но при этом надежно изолированных озер с известным временем формирования. К счастью, такие озера в тропической Африке имеются, и во многих из них живут цихлиды.

Биологи из Великобритании, Танзании и Японии изучили ихтиофауну шести маленьких «кратерных» озер в районе Рунгве (Rungwe District) на юго-западе Танзании. Все эти озера представляют собой залитые водой кратеры потухших вулканов. В каждом озере были обнаружены эндемичные разновидности цихлид рода Astatotilapia, близкие к широко распространенному виду A. calliptera, который обитает в окрестных реках и на мелководьях озера Малави.

Предварительный генетический анализ, основанный почти на 8000 однонуклеотидных полиморфных локусах (SNPs), показал, что рыбы из каждого озера образуют монофилетическую кладу (обособленную ветвь) на эволюционном дереве. Это, по-видимому, означает, что в озера в какой-то момент попали представители вида A. calliptera, которые затем эволюционировали в относительной изоляции, без сильного притока генов извне. Исключение составляет озеро Итамба: живущие в нем астатотиляпии генетически неотличимы от рыб из соседней речки Мговеса (рис. 2).

Наиболее интересная картина обнаружилась в озере Массоко — круглом, заполненном водой кратере диаметром 700 м. Озеро сформировалось около 50 000 лет назад, и за это время поселившиеся здесь представители предкового вида A. calliptera успели разделиться на две разновидности: мелководную, обитающую недалеко от берега на глубине до 5 м, и придонную глубоководную, живущую в основном на глубине 20–25 м.

Морфологические различия между расами весьма значительны (рис. 3). Самцы прибрежной разновидности имеют обычную для A. calliptera желтоватую окраску, тогда как глубоководные самцы — черно-синие. Очевидно, это связано с тем, что коротковолновый свет проникает глубже в прозрачные воды озера, поэтому в придонной полутьме, где обитает глубоководная форма, синий наряд виден лучше, чем желтый.

Кроме того, мелководная и глубоководная разновидности различаются по форме тела, строению глоточных челюстей и зубов. Диета у них тоже разная, что видно по соотношению стабильных изотопов углерода 13C и 12C в мышцах.

Установив эти факты, авторы перешли к углубленному генетическому анализу. Были отсеквенированы с высоким (15-кратным) покрытием полные геномы шести желтых прибрежных и стольких же синих глубоководных рыб из Массоко, а также 16 особей из озера Малави и других соседних водоемов. Кроме того, были получены менее качественные геномы (с 6-кратным покрытием) еще для 87 особей из Массоко и 30 из Итамбы. Это позволило сравнивать рыб уже не по 8000, а более чем по миллиону полиморфных локусов.

Анализ подтвердил, что рыбы из Массоко представляют собой монофилетическую ветвь и что разделение на две разновидности произошло уже в самом озере, то есть в условиях симпатрии. Ближайшей их родней оказались астатотиляпии из соседней речки Мбака (рис. 2, 4). Более того, полученное эволюционное дерево (рис. 4) показывает, что желтая прибрежная форма является «примитивной», то есть генетически более близкой к предковым рыбам, заселившим озеро, а синяя глубоководная форма произошла от желтой, то есть является «эволюционно продвинутой».

Чтобы обнаружить возможный приток генов извне, авторы сравнивали геномы рыб по числу общих продвинутых аллелей — примерно так, как это делалось при анализе неандертальских и денисовских геномов, чтобы понять, внесли ли эти древние популяции вклад в генофонд современного человечества.

Удалось выявить лишь очень небольшой (около 0,9%) генетический вклад рыб из соседних речек в генофонд мелководной разновидности. Это примерно вдвое меньше вклада неандертальцев в генофонд современного внеафриканского человечества. По-видимому, это значит, что эпизодическое попадание в Массоко рыб извне мало влияет на эволюцию местных популяций.

Таким образом, анализ полных геномов подтвердил, что в озере Массоко происходит настоящая симпатрическая дивергенция.

Убедившись в этом, авторы перешли к изучению генетических различий между прибрежной и глубоководной формами. Для этого использовалось несколько статистических показателей, в том числе индекс фиксации (F_ST, см. Fixation index), оценивающий различия между сравниваемыми популяциями по частотам аллелей в полиморфных локусах. Этот показатель является наиболее широко применяемым в подобных случаях.

Выяснилось, что средний (по всему геному) уровень генетических различий между формами невелик (среднее F_ST = 0,038). Более того, не удалось найти ни одного фиксированного различия, то есть ни одного сайта с F_ST = 1. Иными словами, нет ни одной нуклеотидной позиции, в которой у всех прибрежных рыб стоял бы один нуклеотид, а у всех глубоководных — другой. Это может показаться странным, учитывая серьезные морфологические различия между двумя расами. На самом деле ничего удивительного в этом нет, поскольку каждое различие, очевидно, определяется не одним геном, а многими (причем каждый ген по отдельности не сильно влияет на признак), да и сами различия не являются строго дискретными, а носят статистический характер.

Как и следовало ожидать, распределение различий по геному оказалось резко неравномерным. На общем однородном фоне выделяются небольшие участки с сильно различающимися частотами аллелей. Подобные участки, получившие название «островков видообразования», ранее уже были найдены у других форм, находящихся на ранних стадиях дивергенции.

Точно оценить число островков видообразования трудно, потому что результат таких подсчетов зависит прежде всего от строгости статистических критериев, применяемых для идентификации островков. В геномах астатотиляпий озера Массоко есть несколько сотен участков, составляющих в общей сложности около 1% генома (8 млн пар оснований, п. о.), по которым прибрежная раса отличается от глубоководной достоверно сильнее, чем это было бы возможно при сохранении единства популяции. Для дальнейшего анализа авторы отобрали 98 наиболее четко выраженных островков видообразования с F_ST > 0,3 общей длиной 5,5 млн п. о.

Большинство найденных островков не рассеяны по хромосомам случайным образом, а собраны в 5 относительно компактных кластеров. Считается, что островки видообразования склонны группироваться в постепенно разрастающиеся кластеры, потому что сцепленное наследование помогает расположенным по соседству генам дивергировать согласованно.

Таким образом, основной особенностью «генетической архитектуры» видообразования в озере Массоко является наличие десятков четко выраженных «островков видообразования», сгруппированных в несколько кластеров, на фоне очень низкого среднего уровня генетических различий (F_ST = 0,038), а также полное отсутствие фиксированных различий.

Четкая морфологическая дивергенция при крайне низком уровне F_ST ранее была обнаружена в двух других парах расходящихся форм: у одноцветных и полосатых калифорнийских палочников и у серых и черных ворон.

У палочников среднее F_ST колеблется в пределах от 0,015 (для географически близких популяций) до 0,03 (для удаленных популяций), островки видообразования исчисляются тысячами, но выражены слабо. У ворон F_ST = 0,017, «островки видообразования» единичные, но очень четкие и содержащие в том числе и фиксированные различия. Астатотиляпии из Массоко, таким образом, представляют собой некий промежуточный вариант. От чего зависят эти особенности и как они меняются по мере расхождения дивергирующих популяций, пока не ясно.

Дополнительные статистические тесты, основанные на сопоставлении внутри- и межпопуляционного генетического полиморфизма, показали, что значительная часть островков, по-видимому, содержит гены, участвующие в ограничении генетического обмена между двумя расами. Такие гены непосредственно способствуют репродуктивной изоляции, а не просто подвергаются разнонаправленному отбору в связи с адаптацией к локальным условиям (в первом случае сохраняется высокий внутрипопуляционный полиморфизм, во втором он снижается) (см.: T. Cruickshank, M. Hahn, 2014. Reanalysis suggests that genomic islands of speciation are due to reduced diversity, not reduced gene flow). Удалось также показать, что доля аллелей, привнесенных извне (из соседних рек), не повышена в островках видообразования. Это — еще один довод в пользу того, что эпизодическое проникновение в озеро чужаков не вносит заметного вклада в происходящее в озере видообразование.

Частичная репродуктивная изоляция двух рас может поддерживаться просто благодаря тому, что рыбы живут на разной глубине и поэтому редко встречаются. Другой возможный изолирующий механизм связан с предпочтениями при выборе полового партнера. Чтобы выяснить, каких партнеров предпочитают мелководные и глубоководные самки, авторы провели тесты в больших аквариумах, где самка выбирала себе партнера из восьми кандидатов, среди которых были и желтые, и синие, и молодые, у которых морфологические признаки расы еще не сформировались (на этом этапе авторы определяли расовую принадлежность рыб уже не только по морфологии, но и по результатам генотипирования, сравнивая наборы аллелей в островках видообразования).

В общей сложности было протестировано 50 самок. 45 из них выбрали себе партнера и произвели потомство (которое самки астатотиляпий вынашивают во рту). Потомство было подвергнуто генотипированию для установления отцовства. Оказалось, что мелководные самки предпочитают генетически близких, то есть мелководных самцов. У глубоководных самок такой избирательности выявить не удалось: их выбор не зависел от расовой принадлежности претендента. Однако, как справедливо замечают авторы, в природных условиях картина может быть иной. Тесты проводились в аквариумах при освещенности, характерной для мелководных местообитаний. Не исключено, что на глубине 20–25 м, куда проникает преимущественно коротковолновый свет и синие наряды самцов смотрятся лучше, глубоководные самки тоже предпочитают «своих». Если же мелководные самки и впрямь более избирательны, это может объясняться тем, что прибрежная раса является предковой по отношению к глубоководной (рис. 4). Зарождение глубоководной разновидности могло сопровождаться бутылочным горлышком численности (то есть осваивать глубоководные местообитания начала небольшая группа особей), а в условиях низкой численности отбор может способствовать уменьшению женской привередливости.

Генетические тесты, подобные тем, что применяются для выяснения истории человеческих популяций показали, что между глубоководной и мелководной разновидностями нет полной изоляции, причем гены чаще проникают из глубоководного генофонда в мелководный, чем в обратную сторону. Казалось бы, это противоречит данным о повышенной избирательности мелководных самок, но скорее это просто означает, что не все факторы, влияющие на частоту гибридизации, удалось учесть.

В 46 из 98 островков видообразования обнаружились следы действия положительного отбора. Это проявляется в том, что внутрипопуляционный полиморфизм в каждом из 46 островков у одной из рас значительно ниже, чем у другой. «Выметание полиморфизма отбором», то есть снижение генетического разнообразия в окрестностях полезного аллеля, — типичный след, оставляемый в геноме положительным отбором. Любопытно, что в 36 случаях из 46 полиморфизм оказался понижен у глубоководной расы и только в 10 — у мелководной. Это хорошо согласуется с идеей о том, что мелководная раса — предковая, а глубоководная произошла от нее, освоив новый тип местообитаний.

Какие же гены вовлечены в процесс видообразования? Как выяснилось, в островках видообразования и их ближайших окрестностях повышена доля генов, связанных с регуляцией морфогенеза (развитие хрящей, жаберного аппарата, глотки, плавников), органами чувств (в том числе зрением) и гормональной регуляцией.

Особый интерес представляет дивергенция по генам светочувствительных белков. Адаптивные изменения этих генов легко «расшифровываются», потому что их влияние на фенотип (то есть на особенности зрительного восприятия) обычно прямое и однозначное. Как и следовало ожидать, у глубоководной расы оказалась повышена частота аллелей, улучшающих способность видеть в полумраке на глубине. В частности, наиболее часто встречающийся у глубоководной расы вариант гена родопсина (rho) кодирует зрительный белок, максимальная чувствительность которого смещена на 3 нм в коротковолновую (синюю) сторону по сравнению с вариантом того же гена, преобладающим у мелководной расы. Соответственно, синий наряд глубоководных самцов может быть полезен еще и потому, что глубоководные самки лучше видят в синем диапазоне. Такую подстройку брачных нарядов под особенности цветовосприятия, обусловленную половым отбором, называют «сенсорным смещением» или «сенсорным драйвом».

Авторы подчеркивают, что общий характер дивергенции, то есть набор морфологических и экологических характеристик, по которым разошлись мелководная и глубоководная разновидности в озере Массоко, очень похож на то, что наблюдается у многих цихлид из великих африканских озер. Это позволяет надеяться, что астототиляпии из Массоко с их относительно простой и надежно реконструируемой популяционной историей помогут разобраться в более запутанных эволюционных процессах, происходящие в озерах Виктория, Малави и Танганьика.

Источник: Milan Malinsky, Richard J. Challis, Alexandra M. Tyers, Stephan Schiffels, Yohey Terai, Benjamin P. Ngatunga, Eric A. Miska, Richard Durbin, Martin J. Genner, George F. Turner. Genomic islands of speciation separate cichlid ecomorphs in an East African crater lake // Science. 2015. V. 350. P. 1493–1498.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru