Гибридные муравьи быстро эволюционируют, удаляя вредные гены
Несмотря на существование множества механизмов, препятствующих размножению двух разных видов в природе, гибридизация является широко распространенным явлением, которое сформировало геномы многих современных видов, включая человека. Когда геномы двух разных видов объединяются в результате успешного размножения, это служит источником генетических новинок, которые могут иметь решающее значение для адаптации популяций к изменяющимся условиям окружающей среды. Поэтому понимание эволюции гибридных геномов очень важно, поскольку оно может пролить свет на то, как возникают видовые барьеры, на издержки и выгоды гибридизации, а также на функции генов и их взаимодействие.
Исследователям из Университета Хельсинки было известно, что два вида древесных муравьев, Formica aquilonia и F. polyctena, размножались и образовывали популяции гибридов в нескольких различных местах в Финляндии. Исследователи воспользовались этими известными гибридными популяциями, чтобы измерить, насколько быстрой и предсказуемой является эволюция геномов в дикой природе после гибридизации. В данном случае предсказуемость относится к генетическому результату после гибридизации и к вопросу о том, будут ли генетические результаты аналогичными, если повторить ту же гибридизацию.
Ученые собрали 39 муравьев из трех различных гибридных популяций в лесах на юге Финляндии, недалеко от зоологической станции Твэрминне. Затем они создали цельногеномные последовательности ДНК этих особей и сравнили их с геномами 10 отдельных муравьев обоих родительских видов, найденных в пределах и за пределами ареалов, где гибриды и родительские виды пересекаются. Для этого они сотрудничали с учеными из Шотландии и Португалии и использовали суперкомпьютеры финского научного центра информационных технологий (CSC). В общей сложности исследователи проанализировали около 1,6 миллиона однонуклеотидных полиморфизмов из всех геномов муравьев.
Результаты, опубликованные в журнале PLOS Biology, показали, что для трех различных гибридных популяций гибридизация между двумя видами муравьев произошла всего около 125 лет назад, что соответствует 50 муравьиным поколениям. После гибридизации три различные гибридные популяции развивались независимо друг от друга в направлении одного и того же генетического результата. Это означает, что сегодня геномы муравьев из гибридных популяций удивительно похожи друг на друга по своему генетическому составу, хотя в начале гибридизации они были несхожи.
Чтобы объяснить этот неожиданный результат, исследователи проверили наличие признаков потока генов между гибридными популяциями, а также между гибридами и родительскими видами. Они не обнаружили никаких признаков потока генов и пришли к выводу, что для объяснения довольно быстрой эволюции трех гибридных популяций к сходному геному должны быть задействованы другие механизмы. Они предполагают, что естественный отбор против вредных генов у гибридизирующих видов с наименьшим эффективным размером популяции (и, предположительно, более высокой нагрузкой неблагоприятных аллелей) может объяснить, как гибридные популяции стали генетически сходными за столь короткое время.
Когда исследователя Пьера Нухауда из факультета биологических и экологических наук Хельсинкского университета спросили, являются ли эти результаты маленьким шагом или гигантским скачком в познании, он ответил:
"И то, и другое! Финские древесные муравьи дают возможность наблюдать многочисленные, очень недавние события гибридизации, и количество предсказуемости, которое мы обнаружили, несмотря на эту давность, поразительно велико, что является довольно новым. В то же время, наше исследование подтверждает предыдущие результаты, полученные на нескольких видах, включая человека, что позволяет предположить, что закономерности, которые мы наблюдаем у древесных муравьев, являются достаточно общими".
"В эволюционном масштабе времени мы имеем дело с недавними событиями, менее 50 муравьиных поколений, у которых было очень мало времени, чтобы оставить следы в последовательностях ДНК", - добавляет Нухауд. "Это означает, что может быть трудно провести различие между конкурирующими гипотезами. В нашем исследовании мы провели компьютерное моделирование, рассматривая различные эволюционные сценарии, чтобы учесть эту неопределенность и убедиться в надежности наших результатов".
Исследователи подчеркивают, что гибридные геномы дают мощное представление об эволюции, поскольку они подвергаются воздействию сильных и часто противоположных селективных сил. Таким образом, эволюция сформировала гибридные геномы предсказуемым образом, так что геномы различных гибридных популяций теперь похожи. Это указывает на то, что селективное давление было одинаковым для каждой гибридной популяции, что привело к удалению из геномов вредоносных генов.
