Четыре близких вида овсянок по-разному приспособились к жизни на соленых болотах

Рис. 1. Саванная овсянка (Passerculus sandwichensis) — один из видов, которые стали объектами обсуждаемого исследования. Слева — подвид P. s. nevadensis, обитающий на возвышенностях, справа — подвид P. s. beldingi, обитающий в соленых болотах приливно-отливной зоны. Можно заметить относительно более крупный клюв и более темную окраску у представителя прибрежного подвида. Фото с сайта inaturalist.org

Ученые из США и Канады провели секвенирование и сравнительный анализ геномов четырех видов североамериканских овсянок, каждый из которых в недавнем прошлом разделился на два подвида. У всех четырех видов один из подвидов обитает на лугах и болотах в глубине континента, где условия среды вполне обычные для большинства птиц, а второй подвид относительно недавно заселил приливно-отливную зону с избыточной соленостью среды. Ученые задались целью разобраться в генетической основе адаптации птиц к такой агрессивной среде. Из 307 генов, затронутых положительным отбором, лишь 25 оказались общими для двух или трех видов птиц одновременно. Более того, не обнаружилось ни одного гена, который бы попал под действие положительного отбора у всех четырех видов. Это исследование показывает, что даже филогенетически родственные виды могут получить схожие адаптации очень разными способами.

Овсянковые — семейство некрупных певчих птиц из отряда воробьинообразных, представители которого обитают в Старом и Новом свете. Основную часть их рациона составляют семена разнообразных луговых и болотных растений (злаков, горошка, клевера, одуванчика и т. д.), хотя в период размножения они питаются и беспозвоночными — насекомыми, пауками, мокрицами. Гнезда эти птицы устраивают прямо на земле или, в редких случаях, на нижних ветвях невысоких деревьев.

Исследование, результаты которого недавно были опубликованы в журнале Evolution Letters, проведено в Северной Америке. Авторы изучали четыре местных вида овсянок, у каждого из которых есть подвиды, обитающие в глубине материка (в основном населяя местообитания типа лугов или пресных болот), а также подвиды, обитающие в приливно-отливной зоне вдоль береговой линии континента (это биотопы с редкой болотной растительностью и высокой концентрацией соли в почве и воде): саванная овсянка Passerculus sandwichensis (материковый подвид P. s. Nevadensis, прибрежный подвид P. s. beldingi; далее подвиды указаны в таком же порядке), овсянка Нельсона Ammodramus nelsoni (A. n. nelsoni и A. n. subvirgatus), певчая овсянка Melospiza melodia (M. m. gouldii и M. m. pusillula), и болотная овсянка Melospiza georgiana (M. g. georgiana и M. g. nigrescens). Места отлова этих птиц для исследования показаны на рис. 2.

Рис. 2. Виды и подвиды, ставшие объектами проведенного исследования (A), их ареалы в Северной Америке и места, в которых проводился отлов птиц для исследования (B). Вверху показаны основные морфологические различия между подвидами разных из разных местообитаний. Внизу квадратные отметки соответствуют прибрежным подвидам (засоленные местообитания), круглые — подвидам материковых местообитаний. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution Letters

Освоение ареалов с экстремальными условиями (то есть условиями, заметно отличающимися от тех, к которым вид «привык» в ходе предшествующей эволюции) создает для организмов целый ряд новых проблем и им приходится вырабатывать специальные, порой дорогостоящие, адаптации для сопротивления разрушительному воздействию агрессивных факторов. Но зато при успешной адаптации животные получают и серьезные преимущества: конкуренция за ресурсы в таких регионах значительно ниже, по крайней мере на первых порах, пока не произойдет экспансия других новопоселенцев.

Орнитологи давно интересуются этими птицами, обращая внимание на то, как они адаптировались при заселении сред с повышенной соленостью. В частности, у прибрежных подвидов были отмечены следующие фенотипические особенности:
    1) Более темный окрас оперения — предположительно увеличенное количество меланина обеспечивает птицам защиту от ультрафиолета, поскольку на засоленных почвах меньше растительности и такие местообитания более открытые.
    2) Увеличенный размер клюва — это средство повышения теплоотдачи в условиях высоких температур. При этом одновременно уменьшается потребность в терморегуляции посредством испарения воды с поверхности тела.
    3) Отличия в анатомии почек: они увеличены в размере, главным образом за счет объема мозгового вещества и числа размещающихся в нем почечных канальцев с петлей Генле. С пищей и питьем в организм попадает избыток соли. В петле Генле осуществляется концентрирование продуктов выделения — здесь активно выводится в просветы канальцев избыточная соль и одновременно происходит реабсорбция воды в кровь.
    4) Отличия в питьевом поведении: птицы засоленных местообитаний пьют в целом больше, и вместе с тем уменьшают объем выпиваемой жидкости (несмотря на жажду), если концентрация соли в источнике выше некоторого порога. У птиц из материковых (то есть «пресных») местообитаний такая реакция на соленость воды отсутствует или выражена слабее.

Появление современных инструментов геномного анализа, конечно же невероятно расширяет возможности для изучения процессов адаптации на гораздо более тонком уровне, чем ученые пользуются с большим воодушевлением. Именно этому и посвящена обсуждаемая работа.

Прежде всего, исследователи провели секвенирование геномов птиц — от 8 до 12 особей для каждого подвида (в сумме получили последовательности 80 геномов). В пределах каждого вида были установлены наборы SNP — однонуклеотидных полиморфизмов, встречающихся в пределах вида. Разброс количества SNP составил от 2,3 до 13 миллионов в зависимости от вида (больше всего у саванных овсянок, меньше всего у овсянок Нельсона). Для каждого SNP рассчитали частоты встречаемости в пределах вида и подвидов. Метод главных компонент, примененный к полученным данным, позволил убедиться, что представители подвидов, ассоциированных с разными типами местообитаний, образуют в пределах каждого вида хорошо различимые кластеры, то есть действительно генетически обособлены друг от друга (рис. 3).

Рис. 3. Кластеризация данных по частотам обнаруженных SNP методом главных компонент для четырех видов птиц. На каждом графике более темные точки соответствуют особям прибрежного подвида. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution Letters

Далее, применив изощренные методы популяционной генетики, учитывающие степень дивергенции геномов, распределения частот аллелей и генотипов и прочие факторы, ученые выстроили модели демографических процессов, происходивших в прошлом с каждым видом, которые объясняют генетическую структуру современных популяций. Результаты этого анализа показаны на рис. 4. Оказалось, что биографии четырех изученных видов заметно различаются: в частности, время дивергенции подвидов варьировало от примерно 10 000 лет назад для овсянки Нельсона до примерно 450 000 лет назад для саванной овсянки. Подвиды певчей овсянки разделились около 12 000, а подвиды болотной овсянки — около 35 000 лет назад. Были отмечены и «бутылочные горлышки» — периоды, когда в популяции происходили значительные спады численности, с последующим ее возрастанием. Также были рассчитаны коэффициенты миграции (m) особей разных популяций — они отражают вероятную частоту миграции особей между популяциями, которыми представлен каждый из подвидов. Все это важно было оценить в том числе и для того, чтобы более корректно интерпретировать данные последующих тестов, в которых оценивалось влияние отбора на эволюцию генофондов популяций.

Рис. 4. Модели демографической истории каждого из четырех видов овсянок, построенные на основе статистической обработки данных по генетической структуре популяций. T — время, соответствующее каждому из обозначенных событий: разделению подвидов, значительным спадам и возрастаниям численности (время указано в годах; запятые в числах отделяют разряды тысяч от разрядов единиц), Ne — эффективная численность популяций (в грубом приближении — число половозрелых особей, способных к размножению), m — коэффициент, отражающий частоту миграции особей между популяциями (уровень миграции между популяциями также показан толщиной стрелок), следствием которой становится частичное перемешивание генофондов — поток генов. В квадратных скобках для каждого показателя указаны границы 95-процентного доверительного интервала. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution Letters

В качестве основного метода для выявления следов отбора (то есть участков генома, в которых отбор способствовал распространению разных аллелей в популяциях разных типов местообитаний) ученые использовали измерение индекса фиксации (fixation index, FST, подробное объяснение принципа вычисления этого индекса можно найти в новости Анализ геномов калифорнийских палочников помог оценить соотношение случайности и закономерности в эволюции, «Элементы», 20.05.2014). Анализ проводили методом «скользящего окна» (размер окна — 25 тысяч пар нуклеотидов). На участках, испытавших в прошлом действие отбора, выявляются пики повышенных значений FST. В качестве «сигнала отбора» авторы исследования выбрали минимум 5-кратное превышение показателя FST по сравнению со средним по геному (рис. 5). В этих участках и находятся гены-кандидаты, предположительно обеспечивающие адаптацию к особенностям местообитания. Метод не безупречен: возможны как ложноположительные, так и ложноотрицательные оценки для конкретных локусов. Поэтому дополнительно исследователи применили еще два метода популяционной генетики для перепроверки собственных выводов о влиянии отбора на те или иные участки генома по результатам оценки FST. С этими данными можно при желании подробнее ознакомиться в обсуждаемой статье.

Рис. 5. Данные по индексам фиксации вдоль хромосом для четырех видов овсянок. Пунктирные линии указывают пороговые значения, которые были установлены для определения участков с сигналом положительного отбора (5-кратное превышение индекса фиксации над фоновым). В качестве примера выделена рамка, в которой есть сигнал положительного отбора у саванной овсянки и овсянки Нельсона. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution Letters

Итоги получились следующими. У саванной овсянки обнаружилось 223 участка с сигналом положительного отбора, включающие в себя 70 белок-кодирующих генов. У овсянки Нельсона — 78 участков, содержащих 77 белок-кодирующих генов. У певчей овсянки — 112 участков, в которых обнаружено 77 генов. У болотной овсянки — 155 участков, содержащих 121 ген. В участках, не содержащих белок-кодирующие гены, могут находиться последовательности, выполняющие регуляторные функции или кодирующие нетранслируемые молекулы РНК.

Конечно, было интересно посмотреть, в какой мере наборы генов-кандидатов, обеспечивших адаптацию к одной и той же среде у четырех разных видов птиц, перекрываются между собой. Эти данные отражены на рис. 6. Как можно заметить, не нашлось ни одного гена, который попал бы в списки сразу для всех четырех видов. Но зато оказалось целых 33 участка, включающие 25 генов, которые вовлечены в адаптацию одновременно у двух или трех видов, для 16 из этих генов описана функция (12 из них связаны с осморегуляцией). Так или иначе, преобладающее число генов-кандидатов оказались видоспецифичными.

Рис. 6. Общее число генов-кандидатов, предположительно участвующих в адаптации прибрежного подвида к засоленным местообитаниям. Диаграмма показывает число генов, оказавшихся видоспецифичными или общими для нескольких исследованных видов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution Letters

Среди генов с описанными функциями (про которые есть информация в геномных базах данных), вовлеченных в адаптацию к засоленным местообитаниям (у одного или нескольких видов птиц), наиболее представлены оказались гены, связанные с осморегуляцией: они кодируют ионные транспортеры либо белки-регуляторы транспорта ионов (звенья сигнальных каскадов). Таких у саванной, певчей, болотной овсянки и овсянки Нельсона оказалось 15, 19, 23 и 18, соответственно. Многие гены кодируют белки, задействованные в реакциях клеток на осмотический или тепловой стресс. Также значительная часть генов-кандидатов кодирует белки, участвующие в организации цитоскелета и везикулярного транспорта.

Несколько генов ассоциированы с формой клюва. В частности, сразу у трех видов птиц в списке генов-кандидатов оказался ген белка RBM39 — антагониста BMP4. Белок BMP4 в онтогенезе регулирует рост костей, в том числе и клюва у птиц. Еще несколько генов связаны с ростом и развитием почек. Также в списке имеются гены, участвующие в синтезе меланина (пигмента, окрашивающего перья птиц).

У овсянки Нельсона обнаружился положительный сигнал отбора для гена MMP17 — он экспрессируется в мозге и регулирует поведение, связанное с утолением жажды, что было ранее установлено в экспериментах на мышах. Также часть генов (разные у разных видов) оказались связаны с регуляцией циркадного ритма. Подробно списки генов-кандидатов для каждого из видов птиц и их функциональная роль описаны в приложении к обсуждаемой статье.

Авторы отмечают, что многие из осморегуляторных генов, в которых нашлись различия между популяциями птиц, ранее были также выявлены как значимые при изучении эволюции видов или подвидов рыб в связи с их дивергенцией на морские и пресноводные формы (в том числе разных видов иглобрюхих рыб, подвидов трехиглой колюшки и т. д.).

Интересно, что несмотря на 45-кратную разницу во времени дивергенции между овсянкой Нельсона и саванной овсянкой, число генов, вовлеченных в адаптацию у всех четырех видов, имеет примерно одинаковый порядок. Вероятно, каждый из подвидов уже успел прийти к некоторому оптимальному для существования в занимаемой экологической нише состоянию, по достижении которого движущий отбор сменяется стабилизирующим, так что дальнейшие изменения в геномах накапливаются уже исключительно за счет дрейфа генов, будучи нейтральными с точки зрения отбора. Эти изменения не выявляются при использовании тестов на отбор.

Таким образом, данная работа позволяет сделать ряд интересных выводов. Во-первых, мы видим здесь характерный пример параллельной эволюции фенотипических признаков у родственных видов при параллельном переходе в сходные условия местообитания. Во-вторых, оказывается, что то, что, на первый взгляд, представляется параллелизмом при наблюдении фенотипа, являет собой скорее конвергенцию. То есть очень похожие фенотипические изменения в значительной мере (но, однако, и не на все 100%) обуславливаются изменениями в разных генетических локусах, несмотря на филогенетическую близость видов. И вместе с тем, оказывается, что эволюция в одних и тех же (или, вернее, ортологичных) генах может быть вовлечена в адаптацию к изменениям солености среды даже у таких далеких друг от друга групп животных, как птицы и рыбы!

Авторы высказывают вполне логичное предположение о том, что, вероятно, определяющим фактором в отношении того, какие именно варианты обеспечат адаптацию у конкретного вида, является уже имеющаяся вариабельность на тот период, когда новая среда только начинает осваиваться. Начальные этапы адаптации происходят за счет распространения тех вариантов, которые в прежней среде были просто нейтральными, и присутствовали в предковой популяции в большем или меньшем количестве, в новой же среде обитания с экстремальными условиями они обеспечивают животным определенные преимущества и поддерживаются отбором. Далее к ним добавляются новые мутации, которые могут оказываться полезными (и поддерживаться отбором) в контексте генофонда одного вида, но нейтральными или даже вредными — в контексте другого вида.

Источник: elementy.ru