Международная группа исследователей проанализировала геномы 20 видов бабочек и обнаружила удивительно высокий уровень потока генов среди них - даже между видами, которые отдаленно связаны между собой. Выводы, опубликованные в журнале Science, бросают вызов общепринятым представлениям о видах и указывают на то, что гибридизация является ключевым процессом в появлении биологического разнообразия.
Различные виды бабочек маракуйи (Heliconius) имеют похожие цветовые узоры, которые служат предупреждением для хищников. Ученые ранее обнаружили, что одна из причин их сходства заключается в том, что они на самом деле имеют общие части своей ДНК благодаря гибридизации, которая произошла в какой-то момент их предков. Новые результаты показывают, что этот процесс обмена ДНК гораздо более распространен, чем считалось ранее.
Чтобы понять, как бабочки передают гены другим видам путем гибридизации, процесса, известного как интрогрессия, исследователи проанализировали новые сборки геномов 20 видов бабочек Heliconius.
«Совместное использование ДНК было показано у близкородственных видов, но мы хотели глубже изучить филогенетическое дерево», - сказал старший автор Джеймс Маллет, профессор органической и эволюционной биологии в резиденции и сотрудник отдела популяционной генетики в музее. сравнительной зоологии. «То, что мы обнаружили, поистине поразительно: интрогрессия даже среди видов, которые отдаленно связаны друг с другом. «Виды» просто не такие, как мы думали, и теперь у нас есть данные, чтобы показать это. -связность - кажется, что каждый бит генома бабочки имеет свое дерево."
Ведущий автор Нейт Эдельман, аспирант группы Маллета, объяснил, что новые сборки генома функционируют как подробные геномные карты. Они создаются путем секвенирования коротких фрагментов ДНК с последующей их сборкой в правильном порядке. Сборки генома являются важным ресурсом для исследователей, поскольку они позволяют сопоставить гены с геномом.
«Самое интересное в создании геномных сборок вместо простого «повторного секвенирования» генома заключается в том, что меняются не только основания ДНК - целые структуры геномов могут меняться в ходе эволюции», - сказал Эдельман. «И с помощью сборок мы можем обнаружить эти изменения».
Когда они начали анализировать сборки, команда обнаружила доказательства того, что некоторые гены способны перемещаться между видами, а другие гораздо более устойчивы к этому процессу. Одним из ключевых факторов, определяющих, может или не может двигаться ген, является основной биологический процесс, называемый «рекомбинацией».
«У людей и большинства животных каждый человек наследует две копии своего генома, одну от матери и одну от отца», - объяснил Маллет.«Причина, по которой вы генетически отличаетесь от своего брата или сестры, связана с рекомбинацией. Ваш отец передал вам недавно зашифрованную, рекомбинированную копию геномов своих родителей, как и ваша мать с геномами своих родителей. Таким образом, комбинация компонентов от каждого родителя отличается у каждого человека."
Рекомбинация считается выгодной, если целью является создание разнообразных генотипов для будущих поколений. Система рекомбинации, описанная в этом исследовании, предполагает, что она также происходит во время обмена генами между видами. По мнению авторов, это может обеспечить возможный путь для случайной передачи адаптивных генов между видами, а также внутри видов.
«Может показаться, что полезные гены с большей вероятностью будут передаваться между видами», - сказал соавтор Майкл Мияги из Гарвардского университета. «Это правда, но есть и более приземленные структурные проблемы с геномом, которые означают, что в некоторых регионах гены с большей вероятностью будут перемещаться туда-сюда."
Согласно Эдельману, поток этих генов туда и обратно часто зависит от того, насколько сильно рекомбинируют эти разные области.
«В регионах с низкой рекомбинацией мы склонны видеть большее сопротивление потоку генов, чем в регионах с высокой рекомбинацией», - сказал он. «Мы думаем, что происходит то, что в регионах с очень высокой рекомбинацией устойчивые или несовместимые гены отделяются от генов, которые могут пересекать границы вида».
Команде удалось идентифицировать ключевой ген, который действует для переключения цветовых узоров, как тот, который перемещался между видами.
«Бабочки Heliconius известны своим цветовым узором. Мы обнаружили, что в одной конкретной области генома имеется около 500 000 пар оснований, которые были инвертированы относительно последовательности предков», - сказал Мияги. «И прямо в середине этой инверсии находится тот ген, который, как мы знаем, контролирует цветовой узор. Когда у вас есть подобная инверсия, это означает, что вы держите все вещи внутри нее вместе, поэтому они не могут рекомбинировать."
Новые сборки генома также привели к открытию новой, большей инверсии на другой хромосоме.
Используя новый метод анализа, разработанный Мияги, исследователи показали, что одна из этих перевернутых последовательностей передавалась между видами.
«Если мы посмотрим на любой конкретный фрагмент ДНК, у каждого из них будет своя история», - объяснил Мияги. «Поэтому метод, который мы разработали, рассматривает эти фрагменты ДНК и может сказать нам, какие из них с большей или меньшей вероятностью будут интрогрессированы».
Исследование приходит к выводу, что гибридизация является одним из способов получения генома видами и может быть ключевым процессом в создании того разнообразия жизни, которое мы наблюдаем сегодня.
«В природе очень маловероятно, что какая-либо особь будет спариваться с представителем другого вида», - сказал Маллет. «Но с течением времени это действительно происходит. Вероятно, это происходит только в «самых молодых» группах видов - видах, которые быстро развиваются. Большая часть разнообразия жизни, вероятно, создана в этих быстрых излучениях. Они участвуют в таких событиях, как происхождение млекопитающих. Во время этих излучений гибридизация и интрогрессия, которые мы документируем здесь, могут быть важным средством перетасовки вариаций и рекомбинации адаптаций из разных родословных».
Исследование берет свое начало в консорциуме Heliconius Genome Consortium, который в 2009 году начал заниматься вопросами эволюции и адаптации путем секвенирования генома одного из видов бабочек Heliconius. Новое исследование сделало доступным 20 новых сборок генома. Данные исследования размещены в свободном доступе в публичных архивах.
«Открытые данные и обмен данными между лабораториями очень важны для понимания эволюции и того, как происходят всплески разнообразия», - сказал Маллет. «В этом международном консорциуме каждый из нас привнес очень разные сильные стороны и помог друг другу улучшить науку в целом, и результатом стал ресурс, который наши сотрудники, как и все остальные, могут использовать в будущем."