Википедия

Палочники Timema cristinae находятся на ранней стадии параллельного видообразования. Популяции этих малоподвижных насекомых независимо друг от друга приспосабливаются к жизни на двух разных кормовых растениях, что сопровождается параллельными изменениями морфологии и поведения. Сравнение полных геномов 160 палочников из 8 популяций (по 4 популяции с каждого вида растений) выявило тысячи геномных участков, дивергирующих (накапливающих различия) под действием разнонаправленного отбора. Большинство дивергирующих участков уникальны для каждой пары сравниваемых популяций, что говорит о высоком уровне случайности в генетических изменениях, сопровождающих параллельное видообразование. Выявлено также несколько сотен участков, в которых однонаправленные изменения частот аллелей произошли во всех популяциях, приспособившихся к данному растению. Это значит, что элемент предсказуемости в генетической эволюции тоже присутствует. Этот вывод был дополнительно подтвержден в ходе эксперимента по искусственной пересадке насекомых на другое растение с последующим секвенированием геномов выжившего потомства. Изменения частот аллелей у потомков пересаженных насекомых во многом совпали с наблюдаемыми в природе.

Палочники Timema cristinae — нелетающие, малоподвижные растительноядные насекомые, обитающие в Калифорнии. Они живут на двух видах растений: Ceanothus spinosus (с широкими листьями) и Adenostoma fasciculatum (с узкими листьями). Оба растения часто встречаются в непосредственной близости друг от друга, и палочники иногда мигрируют с одного на другое.

Важнейшей причиной смертности палочников является выедание птицами и ящерицами. При этом хищники избирательно уничтожают тех насекомых, которые хуже замаскировались. На растениях Ceanothus в выигрыше оказываются равномерно окрашенные зеленые особи, тогда как на Adenostoma менее заметны полосатые (рис. 1).

Таким образом, палочники подвергаются разнонаправленному отбору. Поэтому популяции палочников с разных растений различаются по окраске: на Ceanothus равномерную (неполосатую) окраску имеют в среднем 81% особей, на Adenostoma — лишь 28%. Эти популяции статистически различаются также по размеру и форме тела, а также по поведению: например, палочники с Adenostoma достоверно чаще отдыхают в позиции, когда их видно только сбоку (но не сверху и не снизу), тогда как их сородичи с Ceanotus проводят одинаковое количество времени в позициях, когда их видно сверху, снизу или сбоку.

Ранее на основе анализа митохондриальной ДНК и отдельных ядерных генов было показано, что степень генетического родства между популяциями палочников гораздо сильнее зависит от расстояния между популяциями, чем от кормового растения. Популяции с двух разных, но растущих поблизости растений, как правило, более родственны, чем удаленные популяции с одинаковых растений. Это означает, что адаптация к двум кормовым растениям происходит параллельно и независимо на разных участках. При этом, как уже говорилось, переходы с одного растения на другое — вовсе не редкость.

Самое интересное, что между палочниками, приспособившимися к жизни на разных растениях, существует частичная репродуктивная изоляция. Палочники, собранные на Ceanotus, охотнее скрещиваются с обитателями того же вида растений, пусть даже из отдаленной популяции, чем с соседями, живущими на Adenostoma (Patrik Nosil, Bernard J. Crespi & Cristina P. Sandoval, 2002. Host-plant adaptation drives the parallel evolution of reproductive isolation). Именно этот факт, наряду с морфологическими различиями и разнонаправленным отбором, позволяет говорить о том, что мы имеем дело с начальными этапами видообразования (а не просто с полиморфным видом, освоившим два кормовых растения). Хотя, конечно, нет никаких оснований утверждать, что дело непременно завершится разделением калифорнийских палочников на два полностью изолированных вида. Такое промежуточное состояние, которое наблюдается у Timema cristinae сегодня, по-видимому, может оставаться устойчивым в течение длительного времени.

Из сказанного ясно, что палочники Timema cristinae — удобный объект для изучения соотношения случайного и закономерного в эволюции. Ведь разные их популяции независимо друг от друга приспосабливаются к жизни на одной и той же паре растений. На уровне отдельных морфологических и поведенческих признаков (окраска, размер и форма тела, предпочитаемые позы, половая избирательность) это явно приводит к сходным последствиям, что подчеркивает закономерность и предсказуемость путей адаптивной эволюции.

Однако эти признаки, скорее всего, лишь верхушка айсберга, под которой могут скрываться более многочисленные и трудные для анализа биохимические, физиологические и генетические изменения. Известно, что одни и те же морфологические и биохимические адаптации могут развиваться как на одинаковой, так и на разной генетической основе (см.: Параллельная эволюция изучена в эксперименте на бактериях, «Элементы», 01.02.2012).

Оценить на генетическом уровне соотношение случайности и закономерности в ходе параллельного видообразования у животных — задача, еще недавно казавшаяся слишком амбициозной и едва ли выполнимой. Но современные методы массового секвенирования и анализа геномов сделали невозможное возможным, чем не преминула воспользоваться группа исследователей из Великобритании, США, Канады, Германии и Швейцарии под руководством Патрика Нозила (Patrik Nosil) из Шеффилдского университета, давно изучающего эволюцию палочников Timema.

Авторы отсеквенировали и сравнили геномы палочников из четырех пар природных популяций. В каждой сравниваемой паре одна популяция живет на Ceanotus, другая — на Adenostoma; три пары происходят с соседних растений, четвертая — с растений, разделенных расстоянием в 6,4 км. Из каждой популяции было отсеквенировано по 20 полных геномов (всего 160).

Сравнение геномов выявило около 7 млн однонуклеотидных полиморфизмов (снипов), то есть вариабельных нуклеотидных позиций, в которых у разных особей стоят разные нуклеотиды. После отбрасывания редких вариаций (частота встречаемости которых не превышает 1%), для дальнейшего анализа было оставлено 4 391 556 снипов.

Сравнение геномов подтвердило прежний вывод о том, что степень родства у палочников гораздо сильнее коррелирует с расстоянием между популяциями, чем с кормовым растением: палочники с данного экземпляра Ceanotus состоят в более близком родстве с насекомыми с соседнего растения Adenostoma, чем с обитателями более удаленных экземпляров Ceanotus, и наоборот. Таким образом, адаптация насекомых к двум видам растений происходит параллельно и независимо на каждом участке.

Затем был проведен анализ степени генетической дивергенции (расхождения) между популяциями. Для каждого снипа и для каждой пары сравниваемых популяций авторы рассчитали уровень различий по частоте аллелей (FST, см. Fixation index) — количественный показатель уровня дивергенции. Если у всех представителей первой популяции в данной позиции стоит один нуклеотид, а у всех представителей второй популяции — другой, то по данному снипу FST = 1 (максимально возможное расхождение); при одинаковой частоте аллелей в двух популяциях FST = 0.

Средний уровень дивергенции между популяциями (по всем снипам вместе) оказался очень низким: 0,013–0,015 в трех парах соседних популяций и 0,031 для пары популяций, разделенных расстоянием 6,4 км. Это сопоставимо с уровнем дивергенции между какими-нибудь двумя соседними народами (и меньше, чем между народами с разных континентов). Ни одного фиксированного различия между популяциями обнаружить не удалось: нет ни одной нуклеотидной позиции, в которой у всех обитателей Ceanotus стоял бы один нуклеотид, а у всех обитателей Adenostoma — другой (то есть для всех снипов FST < 1). Это согласуется с представлениями о том, что палочники Timema cristinae демонстрируют самый начальный этап дивергенции: если бы не избирательность при скрещивании, тут вообще трудно было бы говорить о видообразовании.

При внимательном рассмотрении оказалось, что уровень дивергенции распределяется по геному весьма неравномерно. На общем фоне очень слабых различий выделяются тысячи (от 3800 до 18 135) небольших участков генома, в которых уровень дивергенции резко повышен. Такие участки рассеяны по всем хромосомам и занимают в общей сложности от 8 до 30% генома. Очевидно, именно на эти участки и действует разнонаправленный отбор.

Дальнейший анализ был сосредоточен на снипах с наиболее высокими значениями FST. Главной задачей авторов, напомним, было сопоставление общих и уникальных генетических изменений в популяциях, находящихся под сходным давлением отбора. Таким образом, нужно было выяснить, какая доля снипов, демонстрирующих высокий уровень дивергенции в одной паре популяций, ведет себя так же и в других парах.

Оказалось, что 83% «высокодивергентных» снипов являются таковыми только в одной из пар. Это доля уникальных, неповторяющихся генетических различий, возникающих в ходе приспособления популяций палочников к двум кормовым растениям. Можно рассматривать это число как меру непредсказуемости путей адаптации на генетическом уровне. Почему жизнь на одних и тех же растениях стимулирует расхождение по разным локусам в разных популяциях палочников — вопрос открытый. Это может объясняться какими-то тонкими различиями местных условий или самих эволюционирующих популяций, а также тем, что сходные морфологические и биохимические адаптации могут развиваться на разной генетической основе.

Так или иначе, остальные 17% высокодивергентных снипов (в общей сложности свыше 200 000 снипов) оказались общими хотя бы для двух пар популяций. Более того, примерно 900 снипов продемонстрировали высокий уровень дивергенции во всех четырех парах популяций (что вдвое больше, чем ожидалось бы при случайном распределении). Эти цифры позволяют приблизительно оценить уровень закономерности (предсказуемости) генетических изменений в ходе адаптации к разным нишам у палочников.

Доля однонуклеотидных полиморфизмов, расположенных в белок-кодирующих участках генов, оказалась в полтора раза выше среди снипов, сильно дивергировавших во всех парах популяций, по сравнению с остальными снипами (13% против 8%). Это указывает на важную роль эволюции белок-кодирующих последовательностей уже на самых ранних этапах видообразования. Среди генов, подвергавшихся параллельному отбору во всех парах популяций, многие отвечают за метаболизм и связывание ионов металлов, в том числе железа и кальция. Известно, что такие гены могут принимать участие в адаптации к разным трофическим нишам и токсинам; они могут также влиять на морфологические признаки, по которым различаются палочники Timema, живущие на разных растениях, в том числе на пигментацию.

Не остановившись на достигнутом, авторы сумели получить экспериментальное подтверждение параллельных генетических изменений под действием отбора. Для этого они пересадили 2000 палочников с растений Adenostoma на Ceanotus (а также, для контроля, на другие растения Adenostoma), на которых до этого палочников не было. Эксперимент проводился в пяти повторностях, то есть использовалось пять разных площадок с двумя кормовыми растениями, на которые пересаживали насекомых. По прошествии одного поколения (что заняло целый год, потому что у палочников Timema из яиц, отложенных летом, личинки вылупляются только следующей весной) ученые собрали 418 потомков пересаженных палочников и отсеквенировали их геномы. Это позволило сравнить изменения частот аллелей, произошедшие за одно поколение под действием сильного отбора, вызванного пересадкой на другое растение, с теми различиями, которые были выявлены между природными популяциями.

Картина получилась в целом очень похожая на то, что наблюдалось в природе. У потомства пересаженных палочников изменились частоты многих аллелей, причем эти изменения были в значительной мере сходны на всех пяти площадках, хотя, как и в природе, преобладали все-таки уникальные изменения. Многие полиморфизмы, по которым произошла наиболее сильная параллельная дивергенция на всех пяти площадках, оказались расположены в тех участках генома, где была выявлена параллельная дивергенция в природных популяциях.

Таким образом, исследование показало, что генетические изменения, происходящие под действием отбора в ходе адаптации к разным трофическим нишам, содержат как случайные, так и предсказуемые компоненты. Но главная ценность этой работы в том, что она продемонстрировала принципиальную возможность, используя массовое полногеномное секвенирование, в самых мельчайших деталях расшифровать генетическую подоплеку эволюционных процессов на ранних стадиях видообразования.