Genetisk drift, ikke naturlig selektion, identificeret som hovedfaktor, der driver artsdannelse hos truede hvalpefiskearter

Forskere har identificeret et nyt medlem på det genetiske stamtræ af en truet hvalpefisk hjemmehørende i det sydlige centrale New Mexico.

"Vi gik ind i denne tankegang, at der var én art af bevaringsproblemer," sagde J. Andrew DeWoody, professor i genetik ved Purdue Universitys afdeling for skovbrug og naturressourcer. "Den overvægt af beviser tyder nu på, at der er to arter, hvor vi troede, der var en. Så hvis vi havde én truet art, ser vi nu ud til, at vi har to."

DeWoody og otte samarbejdspartnere fra Purdue, Ohio State, Auburn og Texas A&M-universiteter offentliggjorde deres resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Udviklingen af ​​White Sands hvalpefisken til to arter er usædvanlig, fordi genetisk drift var drivkraften.

Genetisk drift skyldes den tilfældige nedarvning af forskellige gener fra en organismes forældre. Naturlig udvælgelse sker derimod, når populationer inden for en art ændrer sig over tid på grund af tilpasning til forskellige levesteder.

De to arter divergerede også usædvanligt hurtigt.

"Nære slægtninge hos pattedyr afveg fra hinanden i gennemsnit for omkring to millioner år siden," sagde DeWoody. "Dette er omkring fire hundrede gange hurtigere end den gennemsnitlige pattedyrs artsbegivenhed."

Cyprinodon tularosa, en truet art, er hjemmehørende i Tularosa-bassinet. Naturlige populationer lever i Salt Creek og Malpais Spring. Ressourceforvaltere etablerede de to andre populationer i Lost River og Mound Spring i 1960'erne og 1970'erne, sandsynligvis fra Salt Creek.

"Vi vidste, at de var forskellige, men vi kendte ikke den evolutionære kraft, der forårsagede denne forskel," sagde Erangi Heenkenda, medforfatter af papiret, som modtog sin ph.d. i skovbrug og naturressourcer fra Purdue i denne måned.

Forskerne betragtede selektion som den drivende evolutionære kraft, fordi saltholdigheden, vandstrømmen og parasitterne i miljøerne ved Salt Creek og Malpais Spring var ret forskellige, sagde Heenkenda.

Forskerne sekventerede hele genomet af individuelle hvalpefisk. Tidligere forskning på disse hvalpefisk var baseret på begrænset genetisk prøveudtagning. Heenkenda sammenlignede hel-genom-tilgangen beskrevet i undersøgelsen med at læse en hel bog i stedet for kun et par sider.

"Vi forventede at se nogle forskelle i generne, men vi så ikke den forskel med hensyn til selektion," sagde Heenkenda, som snart vil begynde at arbejde på National Veterinary Services Laboratories i Ames, Iowa, på et Oak Ridge Institute for Science og uddannelsespostdocstipendium. Men de opdagede for eksempel ingen gener, der bidrog til salttolerance til fiskene.

"Denne divergens ser ud til primært at have været drevet af høje niveauer af genetisk drift lige over de sidste 5.000 år, som vi refererer til som 'drift-speciation'," sagde medforfatter Andrew Black, en tidligere postdoktor i DeWoodys forskningsgruppe. Nu ved Oregon State University's Center for Quantitative Life Sciences bemærkede Black, at der er mange kendte tilfælde af evolution, der forekommer over snesevis eller tusinder af generationer.

"Disse tilskrives typisk naturlig udvælgelse. Den relative rolle af drift er almindeligvis overset eller ignoreret i arter," sagde Black. Han bemærkede, at faktorer som små populationer, geografisk isolation og det barske ørkenøkosystem, der producerede flaskehalse i befolkningen, favoriserede genetisk drift frem for naturlig udvælgelse i disse hvalpebestande.

"Det får mig til at spekulere på, om afdriftsarter sandsynligvis også er en almindelig udviklingsmekanisme hos andre arter af ørkenhvalpefisk," sagde Black.

Den langsomt udbrudte Carrizozo-lavastrøm fra en vulkan i det sydlige centrale New Mexico dækkede omkring 130 kvadratkilometer over to eller tre årtier for omkring 5.000 år siden. Den barriere har sandsynligvis bidraget til udviklingen af ​​den nye art.

"De genomiske data, uafhængigt af de geologiske data, antydede, at disse to arter var én et sted for omkring 5.000 år siden," sagde DeWoody. "Så overlejrer du de geologiske data. Denne Carrizozo-lavastrøm skete omkring dengang. Det giver mening."

I deres analyse af hønsefisk-genvarianterne fandt forskerne, at den forfædres Malpais Spring-population opnåede en stor og stabil bestand på mere end 60.000 individer i en lang periode. Forfædrenes befolkning på omkring 15.000 ved Salt Creek og Lost River var også stabil.

Begge populationer gennemgik flaskehalse - skarpe reduktioner i størrelse - for omkring 2.500 år siden. Flaskehalsene, der påvirkede Salt Creek- og Lost River-bestandene, var dog langt mere alvorlige end den, Malpais Spring-hvalpefiskene oplevede.

Når populationer skrumper, oplever de tilfældige udsving i genfrekvenser eller genetisk drift. Små populationer oplever en stor grad af genetisk drift, som efterlader store populationer, såsom de massive sardiner, der sejler i havene, for det meste upåvirket. I så store populationer sagde DeWoody:"Naturlig selektion kan overmande drift, men i små populationer overmander drift selektion."

To populationer af White Sands hvalpefisk modtog tidligere betegnelse som fortjener forbedrede bevaringsforanstaltninger. En bestand består af Malpais Spring-hvalpefisk. Salt Creek og Lost River hvalpefisk udgør den anden bestand.

Deres resultater fik forskerne til at opfordre til en revision af hvalpefiskens klassificering på artsniveau. Forskerne anbefaler, at den nye art bliver navngivet "den fortryllede hvalpefisk", et nik til staten New Mexico, også kendt som "Fortryllelsens Land."

Flere oplysninger: Andrew N. Black et al., Hurtig artsdannelse af hvirveldyr via isolation, flaskehalse og drift, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320040121. doi.org/10.1073/pnas.2320040121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Purdue University