Passagedues genom viser effekter af naturligt udvalg i en enorm befolkning

Passageduen er berømt for dens enorme befolknings enorme størrelse i Nordamerika (anslået til 3 til 5 milliarder) og for dens hurtige udryddelse i lyset af masseslagtninger af mennesker. Men det er stadig et mysterium, hvorfor arten ikke var i stand til at overleve i mindst et par små, isolerede befolkninger.

En teori, hvilket er i overensstemmelse med resultaterne af en ny undersøgelse offentliggjort 17. november i Videnskab , antyder, at passageduerne var godt tilpasset til at leve i store flokke, men dårligt tilpasset til at leve i mindre grupper, og ændringen i befolkningens størrelse skete så hurtigt, at de ikke var i stand til at tilpasse sig.

"Passageduer klarede sig rigtig godt i titusinder af år, og så uddøde de pludselig. Paradoksalt nok, deres enorme befolkningsstørrelse kan have været en faktor i deres udryddelse, "sagde den tilsvarende forfatter Beth Shapiro, professor i økologi og evolutionær biologi ved UC Santa Cruz.

Shapiros team kiggede på den genetiske mangfoldighed af passageduer, ved hjælp af DNA udvundet fra museumsprøver. Forskerne bekræftede tidligere observationer af bemærkelsesværdigt lav genetisk mangfoldighed i passageduebefolkningen. Men hvor tidligere forskere så tegn på en ustabil befolkning, der havde svinget mellem op- og nedture, den nye undersøgelse nåede meget forskellige konklusioner.

"Hvad vi gjorde, hvilket den tidligere undersøgelse ikke gjorde, skulle se på variation i mangfoldighed på tværs af genomet. Vi fandt ud af, at det generelt ikke bare var lavere end forventet, det var også mere variabelt, og vi kunne se, hvor disse regioner med høj og lav mangfoldighed er i passageduesgenomet, "sagde første forfatter Gemma Murray, en postdoktor i Shapiro's Paleogenomics Lab ved UC Santa Cruz.

Analysen afslørede mønstre i passageduesgenomet, hvilket indikerer, at artens lave genetiske mangfoldighed var et resultat af naturlig selektion, der forårsagede en hurtig spredning af gavnlige mutationer gennem befolkningen og eliminering af dårlige mutationer. Forskerne fandt ikke de samme mønstre af genetisk mangfoldighed på tværs af genomet i den nært beslægtede band-tailed due, som har en relativt lille befolkning på omkring 2 millioner hjemmehørende i det vestlige Nordamerika.

"Da vi så på hastighederne for adaptiv udvikling og rensende udvalg i begge arter, vi fandt beviser for, at naturlig selektion havde resulteret i både en hurtigere adaptiv udvikling hos passageduer og en hurtigere udrensning af skadelige mutationer, "Sagde Murray." Det er præcis det, du ville forvente at se, hvis selektion forårsager forskellene i genetisk mangfoldighed. "

Når en gavnlig mutation spredes gennem en befolkning, den bærer sammen med sig tilstødende DNA -strækninger, så efterfølgende generationer bærer ikke kun den gode mutation, men hele sektioner af identisk DNA. Disse områder med lav mangfoldighed kan opdeles ved rekombination, processen, hvor parrede kromosomer udveksler sektioner af DNA under dannelsen af ​​æg og sæd (hvilket forklarer, hvorfor forældre ikke videregiver nøjagtige kopier af deres kromosomer til deres afkom).

Rekombination har en tendens til at ske sjældnere i midten af ​​kromosomer end i enderne, en tendens, der især er udtalt hos fugle. I passageduesgenomet, forskerne fandt ud af, at områder med lav genetisk mangfoldighed var midt i kromosomer, mens regioner med større mangfoldighed var i enderne.

"I enderne af kromosomerne intet bliver slæbt sammen med den gavnlige mutation på grund af den høje rekombinationshastighed, "Forklarede Shapiro.

Da forskerne så på, hvilke typer gener der viste tegn på adaptiv udvikling, de fandt mange, der kunne relateres til aspekter af passageduesøkologi og kravene ved at bo i store flokke. Blandt de 32 gener med stærkt tegn på adaptiv udvikling var gener forbundet med immunsystemet og stressreduktion (store, tætte befolkninger har en tendens til at have en høj sygdomsbyrde og social stress) og med evnen til at spise masser af bestemte fødevarer.

Disse fund stemmer overens med tanken om, at passageduens tilpasning til store populationer kan være blevet et ansvar, når deres befolkning blev reduceret. "Vores fund passer med den historie, og vi finder ingen tegn på, at befolkningen var ustabil, før folk begyndte at jage dem, "Sagde Murray.

Undersøgelsen har også vigtige teoretiske konsekvenser for populationsgenetikere. Befolkningsteori forudsiger, at arter med store populationer skal have større genetisk mangfoldighed end dem med mindre populationer, men denne forudsigelse antager, at det meste af genomet udvikler sig "neutralt" gennem genetisk drift, akkumulere tilfældige mutationer uden hverken gavnlige eller skadelige virkninger. Befolkningsgenetikere bruger ofte modeller, der antager neutral evolution for at drage konklusioner om en befolknings historie.

"Det er en almindelig antagelse, at hvis en art har lav genetisk mangfoldighed, den gennemgik en befolkningsflaskehals på et eller andet tidspunkt tidligere, "Forklarede Murray.

Men teoretiske forudsigelser om forholdet mellem befolkningsstørrelse og genetisk mangfoldighed er ikke bekræftet i den virkelige verden. Dette er kendt som Lewontins paradoks (efter evolutionærbiologen Richard Lewontin), og ifølge Shapiro, det kan skyldes, at naturlig selektion er mere effektiv i større populationer og kan oversvømme virkningerne af tilfældige ændringer, gør antagelsen om neutral evolution ugyldig.

Naturlig selektion forventes at have en større indflydelse på store populationer, både fordi stærkt gavnlige mutationer er mere tilbøjelige til at opstå, og også fordi i små befolkninger, tilfældige begivenheder har en større effekt på, hvad der bliver givet videre til den næste generation.

Bevis til støtte for denne forklaring på Lewontins paradoks blev præsenteret i et papir fra 2015 af Russell Corbett-Detig, adjunkt i biomolekylær teknik ved UC Santa Cruz og en medforfatter af det nye papir. Passagerduen og band-tailed due, lignende arter med meget forskellige populationsstørrelser, tilbød en perfekt mulighed for at teste ideen, Sagde Shapiro.

"Samspillet mellem rekombinationslandskabet og den enorme befolkningsstørrelse på passageduer giver os mulighed for at se, hvad der ligger bag Lewontins paradoks, "Sagde Shapiro." I de fleste arter, det er sandsynligvis sikkert at antage, at størstedelen af ​​genomet udvikler sig neutralt, men for arter med meget store bestande vil vi måske tøve. Disse værktøjer, der bruger genetisk mangfoldighed til at foretage konklusioner om historiske ændringer i en befolknings størrelse, fungerer slet ikke for passageduen. "