Відмінності між зароджуваними видами африканських цихлід записані в «геномних острівцях видоутворення»

Ріс. 1. Озеро Массоко (Танзанія): A — вид зі сходу, B — із заходу, C — з південного берега на північний схід, D — з південного берега на північ. Фото з додаткових матеріалів до обговорюваної статті в Science

У маленькому ізольованому озері в Танзанії, що сформувався 50 000 років тому, виявлено дві форми цихлід з роду Astatotilapia, мілководна і глибоководна, що знаходяться на ранній стадії симпатричного видоутворення. Між двома формами вже існують серйозні морфологічні та екологічні відмінності, а також часткова презиготична ізоляція (перевага собі подібних як статевих партнерів). При цьому генетичний обмін між видами, що зароджуються, не припинився повністю, а всі відмінності між їхніми геномами мають кількісний характер: одні алелі частіше зустрічаються у глибоководної раси, інші — у мілководної, але немає жодної абсолютної (фіксованої) генетичної відмінності. У геномах вдалося виявити десятки компактних «острівців видоутворення», в яких сконцентровано більшість відмінностей між формами. Багато відмінностей приурочені до генів, пов’язаних з морфогенезом, гормональною регуляцією розвитку і зоровим сприйняттям, яке відіграє важливу роль у видоутворенні у африканських цихлід. Результати вивчення цієї простої модельної системи допоможуть зрозуміти механізми масового видоутворення у цихлід у великих африканських озерах.

Реальність симпатричного видоутворення перестала серйозно оскаржуватися лише 10 років тому (див.:Для видоутворення не потрібні бар’єри, «Елементи», 13.02.2006), але за цей час вивчення генетичних механізмів даного процесу вже встигло перетворитися на велику і серйозну науку. Одним з улюблених об’єктів дослідників симпатричного видоутворення були і залишаються цихліди африканських озер (див.:Геноми африканських риб прояснюють механізми швидкого видоутворення, «Елементи», 29.09.2014).

Найбільш вражаючі свідчення швидкого симпатричного видоутворення — групи з сотень близькородинних ендемічних видів, які освоїли різноманітні екологічні ніші — виявлені в озерах Вікторія, Малаві і Танганьїка. Ці системи активно вивчаються, але вони занадто складні для з’ясування ряду важливих питань. У спільноті з сотень близьких видів важко зрозуміти, навіть на основі докладних генетичних даних, хто від кого і в якій послідовності стався, хто з ким продовжує схрещуватися і з якою частотою, чи існує приплив генів із сусідніх водойм. Важко також виключити можливість того, що деякі акти видоутворення у цихлід великих озер могли відбуватися не за симпатричним, а за аллопатричним сценарієм, тобто в географічно роз’єднаних місцях. Наприклад, озеро Вікторія в минулому неодноразово пересихало, підрозділяючись на ряд дрібних ізольованих водойм, і важко сказати, які з видів цихлід відокремилися саме в ці періоди тимчасової ізоляції, а які оформилися без допомоги географічних перешкод.

В якості більш простої модельної системи зручно використовувати риб з невеликих, але при цьому надійно ізольованих озер з відомим часом формування. На щастя, такі озера в тропічній Африці є, і в багатьох з них живуть цихліди.

Біологи з Великобританії, Танзанії та Японії вивчили іхтіофауну шести маленьких «кратерних» озер в районі Рунгве (Rungwe District) на південному заході Танзанії. Всі ці озера являють собою залиті водою кратери згаслих вулканів. У кожному озері були виявлені ендемічні різновиди цихлід роду Astatotilapia, близькі до широко поширеного виду A. calliptera, який мешкає в навколишніх річках і на мілководдях озера Малаві.

Попередній генетичний аналіз, заснований майже на 8000 однонуклеотидних поліморфних локусах (SNPs), показав, що риби з кожного озера утворюють монофілетичну поклажу (відокремлену гілку) на еволюційному дереві. Це, мабуть, означає, що в озера в якийсь момент потрапили представники виду A. calliptera, які потім еволюціонували у відносній ізоляції, без сильного припливу генів ззовні. Виняток становить озеро Ітамба: астатотиляпії, що живуть у ньому, генетично невідгукнуті від риб із сусідньої річки Мговеса (рис. 2).

Ріс. 2. Еволюційне дерево цихлід Astatotilapia calliptera з шести ізольованих кратерних озер (білі і кольорові гуртки), а також з навколишніх річок і озера Малаві (чорні гуртки). Жовтими гуртками позначені представники мілководного різновиду з озера Массоко, синіми — глибоководної, сірими — молоді особини, у яких визначні ознаки одного з двох різновидів ще не розвинулися. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Найбільш цікава картина виявилася в озері Массоко — круглому, заповненому водою кратері діаметром 700 м. Озеро сформувалося близько 50 000 років тому, і за цей час представники предкового виду A. calliptera встигли розділитися на два різновиди: мілководну, що мешкає недалеко від берега на глибині до 5 м, і придонну глибоководну, яка живе в основному на глибині 20-25 м.

Морфологічні відмінності між расами дуже значні (рис. 3). Самці прибережного різновиду мають звичайний для A. calliptera жовтувате забарвлення, тоді як глибоководні самці — чорно-сині. Очевидно, це пов’язано з тим, що короткохвильове світло проникає глибше в прозорі води озера, тому в придонній півтьмі, де мешкає глибоководна форма, синє вбрання видно краще, ніж жовте.

Ріс. 3. Відмінності мілководного (жовті гуртки) і глибоководного (сині гуртки) різновидів цихлід з озера Массоко. Дві раси різняться за фарбуванням самців (B), формою тіла (C), співвідношенням довжини і маси тіла (D), розміром і формою глоточних зубів (E), розміром глоточних щелеп (F), співвідношенням стабільних ізотопів вуглецю ¹³C і 12C, що свідчить про різну дієту (G). Зображення з обговорюваної статті в Science

Крім того, мілководний і глибоководний різновиди розрізняються за формою тіла, будовою глоточних щелеп і зубів. Дієта у них теж різна, що видно по співвідношенню стабільних ізотопів вуглецю ¹³C і ¹²C в м’язах.

Встановивши ці факти, автори перейшли до поглибленого генетичного аналізу. Були відсеквеновані з високим (15-кратним) покриттям повні геноми шести жовтих прибережних і стількох же синіх глибоководних риб з Массоко, а також 16 особин з озера Малаві та інших сусідніх водойм. Крім того, були отримані менш якісні геноми (з 6-кратним покриттям) ще для 87 особин з Массоко і 30 з Ітамби. Це дозволило порівнювати риб вже не по 8000, а більш ніж по мільйону поліморфних локусів.

Аналіз підтвердив, що риби з Массоко являють собою монофілетичну гілку і що поділ на два різновиди стався вже в самому озері, тобто в умовах симпаторії. Найближчою їхньою ріднею виявилися астатотиляпії з сусідньої річки Мбака (рис. 2, 4). Більш того, отримане еволюційне дерево (рис. 4) показує, що жовта прибережна форма є «примітивною», тобто генетично більш близькою до предкових риб, які заселили озеро, а синя глибоководна форма сталася від жовтої, тобто є «еволюційно просунутою».

Ріс. 4. Еволюційне дерево, засноване на повних геномах. Сині та жовті гуртки — представники мілководного та глибоководного різновиду з Массоко, сірі — дрібні особини з того ж озера, у яких ще не сформувалися визначальні ознаки і яких тому не вдалося віднести до одного з двох різновидів, червоний гурток — особина з річки Мбака, фіолетові — з озера Ітамба, чорні — з озера Малаві та інших навколишніх водойм. Чорними зірочками позначено вузли (точки гілки) зі стовідсотковою статистичною підтримкою. Червона зірочка — момент відокремлення глибоководного різновиду від предкового мілководного. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Щоб виявити можливий приплив генів ззовні, автори порівнювали геноми риб за кількістю загальних просунутих алелей — приблизно так, як це робилося при аналізі неандертальських і денисівських геномів, щоб зрозуміти, чи зробили ці стародавні популяції внесок у генофонд сучасного людства (див.:Прочитаний ядерний геном людини з Денісової печери, «Елементи», 23.12.2010).

Вдалося виявити лише дуже невеликий (близько 0,9%) генетичний внесок риб із сусідніх річок у генофонд мілководного різновиду. Це приблизно вдвічі менше внеску неандертальців у генофонд сучасного позаафриканського людства. Мабуть, це означає, що епізодичне потрапляння в Массоко риб ззовні мало впливає на еволюцію місцевих популяцій.

Таким чином, аналіз повних геномів підтвердив, що в озері Массоко відбувається справжня симпатрична дивергенція.

Переконавшись у цьому, автори перейшли до вивчення генетичних відмінностей між прибережною і глибоководною формами. Для цього використовувалося кілька статистичних показників, у тому числі індекс фіксації (F_ST, див. Fixation index), що оцінює відмінності між порівнюваними популяціями по частотах алелей в поліморфних локусах. Цей показник є найбільш широко застосовуваним у подібних випадках.

З’ясувалося, що середній (по всьому геному) рівень генетичних відмінностей між формами невеликий (середнє F_ST = 0,038). Більше того, не вдалося знайти жодної фіксованої відмінності, тобто жодного сайту з F_ST = 1. Іншими словами, немає жодної нуклеотидної позиції, в якій у всіх прибережних риб стояв би один нуклеотид, а у всіх глибоководних — інший. Це може здаватися дивним, враховуючи серйозні морфологічні відмінності між двома расами. Насправді нічого дивного в цьому немає, оскільки кожна відмінність, очевидно, визначається не одним геном, а багатьма (причому кожен ген окремо не сильно впливає на ознаку), та й самі відмінності не є суворо дискретними, а носять статистичний характер.

Як і слід було очікувати, розподіл відмінностей по геному виявився різко нерівномірним. На загальному однорідному тлі виділяються невеликі ділянки з сильно різними частотами алелей. Подібні ділянки, що отримали назву «острівців видоутворення», раніше вже були знайдені в інших форм, що знаходяться на ранніх стадіях дивергенції.

Точно оцінити кількість острівців видоутворення важко, тому що результат таких підрахунків залежить насамперед від суворості статистичних критеріїв, застосовуваних для ідентифікації острівців. У геномах астатотиляпій озера Массоко є кілька сотень ділянок, що становлять загалом близько 1% геному (8 млн пар підстав, п. о.), за якими прибережна раса відрізняється від глибоководної достовірно сильніше, ніж це було б можливо при збереженні єдності популяції. Для подальшого аналізу автори відібрали 98 найбільш чітко виражених острівців видоутворення з F_ST > 0,3 загальною довжиною 5,5 млн п. о.

Більшість знайдених острівців не розсіяні по хромосомах випадковим чином, а зібрані в 5 відносно компактних кластерів. Вважається, що острівці видоутворення схильні угруповатися в кластери, що поступово розростаються, тому що зчеплене спадкування допомагає розташованим по сусідству генам дивергувати узгоджено.

Таким чином, основною особливістю «генетичної архітектури» видоутворення в озері Массоко є наявність десятків чітко виражених «острівців видоутворення», згрупованих у кілька кластерів, на тлі дуже низького середнього рівня генетичних відмінностей (F_ST = 0,038), а також повна відсутність фіксованих відмінностей.

Чітка морфологічна дивергенція при вкрай низькому рівні F_ST раніше була виявлена в двох інших парах форм, що розходяться: у одноколірних і смугастих каліфорнійських паличників і у сірих і чорних ворон. Обидва дослідження висвітлювалися на «Елементах» (див.:Генетичні відмінності між сірою і чорною вороною записані на «острівцях видоутворення», «Елементи», 25.06.2014; Аналіз геномів каліфорнійських паличників допоміг оцінити співвідношення випадковості і закономірності в еволюції, «Елементи», 20.05.2014).

У паличників середнє F_ST коливається в межах від 0,015 (для географічно близьких популяцій) до 0,03 (для віддалених популяцій), острівці видоутворення обчислюються тисячами, але виражені слабо. У ворон F_ST = 0,017, «острівці видоутворення» поодинокі, але дуже чіткі і містять в тому числі і фіксовані відмінності. Астатотиляпії з Массоко, таким чином, являють собою якийсь проміжний варіант. Від чого залежать ці особливості і як вони змінюються в міру розбіжності дивергуючих популяцій, поки не ясно.

Додаткові статистичні тести, засновані на зіставленні внутрішньо- і міжпопуляційного генетичного поліморфізму, показали, що значна частина острівців, мабуть, містить гени, що беруть участь в обмеженні генетичного обміну між двома расами. Такі гени безпосередньо сприяють репродуктивній ізоляції, а не просто піддаються різноспрямованому відбору у зв’язку з адаптацією до локальних умов (у першому випадку зберігається високий внутрішньопопуляційний поліморфізм, у другому він знижується) (див.: T. Cruickshank, M. Hahn, 2014. Reanalysis suggests that genomic islands of speciation are due to reduced diversity, not reduced gene flow). Вдалося також показати, що частка алелей, привнесених ззовні (з сусідніх річок), не підвищена в острівцях видоутворення. Це — ще один довід на користь того, що епізодичне проникнення в озеро чужинців не вносить помітного внеску в те, що відбувається в озері, видоутворення.

Часткова репродуктивна ізоляція двох рас може підтримуватися просто завдяки тому, що риби живуть на різній глибині і тому рідко зустрічаються. Інший можливий ізолюючий механізм пов’язаний з уподобаннями при виборі статевого партнера. Щоб з’ясувати, яких партнерів воліють мілководні та глибоководні самки, автори провели тести у великих акваріумах, де самка вибирала собі партнера з восьми кандидатів, серед яких були і жовті, і сині, і молоді, у яких морфологічні ознаки раси ще не сформувалися (на цьому етапі автори визначали расову приналежність риб вже не тільки з морфології, але і за результатами генотипування, порівнюючи набори алелей в острівцях видоутворення).

Загалом було протестовано 50 самок. 45 з них вибрали собі партнера і справили потомство (яке самиці астатотиляпій виношують у роті). Потомство було піддано генотипуванню для встановлення батьківства. Виявилося, що мілководні самки віддають перевагу генетично близьким, тобто мілководним самцям. У глибоководних самиць такої вибірковості виявити не вдалося: їх вибір не залежав від расової приналежності претендента. Однак, як справедливо зауважують автори, в природних умовах картина може бути іншою. Тести проводилися в акваріумах при освітленості, характерній для мілководних місць. Не виключено, що на глибині 20-25 м, куди проникає переважно короткохвильове світло і сині вбрання самців виглядають краще, глибоководні самки теж віддають перевагу «своїм». Якщо ж мілководні самки і справді більш вибіркові, це може пояснюватися тим, що прибережна раса є предковою по відношенню до глибоководної (рис. 4). Зародження глибоководного різновиду могло супроводжуватися пляшковим горлечком чисельності (тобто освоювати глибоководні місця розташування почала невелика група особин), а в умовах низької чисельності відбір може сприяти зменшенню жіночої вибагливості.

Генетичні тести, подібні до тих, що застосовуються для з’ясування історії людських популяцій (див., наприклад: Палеогенетика підтвердила важливий внесок причорноморсько-каспійських степняків у формування генофонду європейців, «Елементи», 14.06.2015), показали, що між глибоководним і мілководним різновидами немає повної ізоляції, причому гени частіше проникають з глибоководного генофонду в мілководний, ніж у зворотний бік. Здавалося б, це суперечить даним про підвищену вибірковість мілководних самок, але скоріше це просто означає, що не всі фактори, що впливають на частоту гібридизації, вдалося врахувати.

У 46 з 98 острівців видоутворення виявилися сліди дії позитивного відбору (про застосовувані для цього методи див. у новині: У комарів генетична адаптація до навколишнього середовища визначається тільки географією, «Елементи», 29.07.2015). Це виявляється в тому, що внутрішньопопуляційний поліморфізм в кожному з 46 острівців біля однієї з рас значно нижче, ніж у іншої. «Вимітання поліморфізму відбором», тобто зниження генетичної різноманітності в околицях корисного алеля, — типовий слід, що залишається в геномі позитивним відбором. Цікаво, що в 36 випадках з 46 поліморфізм був знижений біля глибоководної раси і тільки в 10 — у мілководної. Це добре узгоджується з ідеєю про те, що мілководна раса — предкова, а глибоководна сталася від неї, освоївши новий тип місцезнаходження.

Які ж гени залучені до процесу видоутворення? Як з’ясувалося, в острівцях видоутворення та їх найближчих околицях підвищено частку генів, пов’язаних з регуляцією морфогенезу (розвиток хрящів, жаберного апарату, ковтки, плавників), органами почуттів (у тому числі зором) і гормональною регуляцією.

Особливий інтерес представляє дивергенція по генах світлочутливих білків. Адаптивні зміни цих генів легко «розшифровуються», тому що їх вплив на фенотип (тобто на особливості зорового сприйняття) зазвичай прямий і однозначний. Як і слід було очікувати, у глибоководної раси виявилася підвищена частота алелей, що поліпшують здатність бачити в напівтемряві на глибині. Зокрема, найбільш часто зустрічається у глибоководної раси варіант гена родопсина (rho) кодує зоровий білок, максимальна чутливість якого зміщена на 3 нм в короткохвильову (синю) сторону в порівнянні з варіантом того ж гена, переважаючим у мілководної раси. Відповідно, синій наряд глибоководних самців може бути корисний ще й тому, що глибоководні самки краще бачать в синьому діапазоні. Таку підбудову шлюбних вбрань під особливості кольору, обумовлену статевим відбором, називають «сенсорним зміщенням» або «сенсорним драйвом» (див.:Еволюція кольорового зору біля африканських цихлід йшла двома шляхами, «Елементи», 29.12.2009).

Автори підкреслюють, що загальний характер дивергенції, тобто набір морфологічних та екологічних характеристик, за якими розійшлися мілководний і глибоководний різновиди в озері Массоко, дуже схожий на те, що спостерігається у багатьох цихлід з великих африканських озер. Це дозволяє сподіватися, що астототиляпії з Массоко з їх відносно простою і надійно реконструйованою популяційною історією допоможуть розібратися в більш заплутаних еволюційних процесах, що відбуваються в озерах Вікторія, Малаві і Танганьїка.

Джерело: 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.

Див. також про генетичні зміни, що супроводжують ранні етапи симпатричного видоутворення:

1) Аналіз геномів каліфорнійських паличників допоміг оцінити співвідношення випадковості і закономірності в еволюції, «Елементи», 20.05.2014.

2) Генетичні відмінності між сірою і чорною вороною записані на «острівцях видоутворення», «Елементи», 25.06.2014.

Олександр Марков