Moja ostatnia praca badawcza. Część 2: Wyniki

Stworzyliśmy osiem replik „rojów” dla każdej pary gatunków, żeby zobaczyć, jak bardzo powtarzają się zmiany. I mierzyliśmy cztery zestawy cech, z których każdy charakteryzował i odróżniał dwa gatunki rodzicielskie:

1.) Morfologiczne cechy, które odróżniały każdą parę gatunków. Było ich pięć w parze D. simulans/D. mauritiana i trzy w parze D. santomea/D. yakuba. Opisałem je w poprzednim poście, a pokazuje je także ilustracja poniżej. Cechy w roju (i w czystych gatunkach) mierzyliśmy co pięć pokoleń aż do pokolenia 20.  

2.) Zachowanie godowe. Jak pisałem wcześniej, między członkami obu par jest dyskryminacja przy wyborze partnerów (i skrócona kopulacja). Wzięliśmy samce i samice  z roju hybrydowego i kojarzyliśmy je z osobnikami z czystych gatunków rodzicielskich, żeby zobaczyć, czy hybrydy zachowywały się jak jeden lub drugi czysty gatunek (zrobiliśmy to w pokoleniu 21; utrzymywaliśmy roje przez 24 pokolenia).

Na przykład, kopulacje między samcami D. simulans i samicami D. mauritiana są bardzo krótkie w porównaniu do kopulacji wewnątrz czystych gatunków. Jeśli samce z roju hybrydowego także wykazują krótki czas trwania kopulacji z czystymi samicami D. mauritiana, możemy wnioskować, że ich cechy godowe powróciły do cech D. simulans. (Spodziewalibyśmy się także, że nie będą wykazywać dyskryminacji wobec D. simulans, ale znaczną niechęć do kopulacji z D. mauritiana.) Zrobiliśmy to dla obu par gatunków.

3.) Sterylność w krzyżówkach gatunków. Kiedy krzyżujesz członków obu par gatunków, otrzymujesz samce-hybrydy, które są sterylne i samice, które są płodne. (Ten wzór nazywa się „regułą Haldane’a). Sterylność trwa przez pewien czas w rojach hybrydowych, podczas gdy dobór usuwa geny dające sterylność. Mierzyliśmy sterylność samców w populacji w pokoleniu 20 w porównaniu do czystego gatunku (w którym samce są całkowicie płodne).   Co ważniejsze, przyglądaliśmy się sterylności hybryd powstałych z krzyżówek między  osobnikami z roju a dwoma czystymi gatunkami (wszystkie z pokolenia 20). Na przykład, jeśli skrzyżujesz rój D. mauritiana/D. simulans z gatunkami rodzicielskimi i otrzymasz płodne potomstwo z D. simulans, ale sterylne potomstwo z D. mauritiana, to wiesz, że genotypowy stan płodności w roju powrócił do stanu D. simulans.

4.) Skład DNA roju hybrydowego. Jak pisałem w poprzednim poście, DNA obu par gatunków różniły się w wielu miejscach. Mogliśmy więc sekwencjonować próbki roju hybrydowego i zobaczyć, jakie proporcje genomu każdego gatunku pozostały w roju po 20 pokoleniach. Zrobiliśmy to we wszystkich ośmiu replikach dla każdego z dwóch rojów, ale tylko raz, bo to przedsięwzięcie obejmowało sekwencjonowanie około 20 milionów zasad. Analiza jest trochę skomplikowana i nie będę się w nią zagłębiał tutaj.

Artykuł:

Poniżej podaję wyniki czterech testów. Wszystkie są zgodne i jednoznaczne: w każdej analizie, czy to morfologii, zachowania, czy sekwencji DNA rój powrócił do „dominującego” (kontynentalnego) gatunku: D. simulans w jednym roju i D. yakuba w drugim. I to samo było we wszystkich ośmiu replikach każdego roju. W pokoleniu 20 również sekwencje DNA wszystkich replik powróciły niemal całkowicie do dominującego gatunku, chociaż pozostało nieco DNA wyspiarskiego gatunku. Ten ”resztkowy” DNA był dość spójny we wszystkich replikach.

1.) Cechy morfologiczne. Dwa wykresy poniżej pokazują zmiany w morfologii cech odróżniających gatunki we wszystkich replikach rojów przez 20 pokoleń (mierzono pokolenia 0, 5, 10, 15 i 20). Pierwszy wykres pokazuje rój D. mauritiana/D. simulans a drugi rój D. yakuba/D. santomea. Mierzyliśmy także morfologię obu czystych gatunków jako grupy kontrolne w czasie; te wartości są prostymi i przerywanymi liniami na górze i na dole (były one w zasadzie stałe, bo są cechami specyficznymi dla gatunku). Hybrydowe repliki w każdym pokoleniu są pokazane jako otwarte koła, z średnimi między replikami wytyczonymi jako najlepiej pasująca linia, a każda replika ma inny kolor. 

Na pierwszym wykresie poniżej wartości cech czystego gatunku D. mauritiana są liniami przerywanymi; wartości cech czystego D. simulans są liniami ciągłymi. Jak widać, rój hybrydowy w pokoleniu 0 jest w zasadzie pośredni między liniami, tak jak powinien być (szerokość czoła pozostaje jednak bliska czystemu D. mauritiana przez 10 pokoleń zanim powraca do wartości D. simulans ).

Ważnym wynikiem jest to, że z czasem każda replika pod względem każdej cechy powraca do wartości D. simulans. Zmiany są szczególnie zaznaczone między pokoleniami 10 a 15. W pokoleniu 20 wartości wszystkich cech są w zasadzie wartościami czystego D. simulans. Pod względem tych cech hybrydy wyewoluowały więc wszystkie wartości cech D. simulans. Rój wygląda jak czyste osobniki D. simulans.

A to jest wykres dla cech roju D. yakuba/D. santomea, z wartościami czystego D. yakuba jako linia ciągła i wartościami D. santomea jako linia przerywana. Tutaj także cechy, które zaczęły się jako pośrednie w pierwszym pokoleniu stopniowo przyjmują wartości dominującego gatunku (D. yakuba) po 20 pokoleniach. Tak jest we wszystkich ośmiu replikach. W szczególności, pigmentacja muszek w roju staje się tak ciemna jak u czystych osobników D. yakuba (wynik około 600 na skali z maksimum 1200 punktów), zamiast niemal całkowitego braku pigmentacji jak D. santomea (ten czysty gatunek ma przeciętną liczbę punktów pigmentacji 49). Cechy zmieniają się w różnym tempie z upływem czasu. Na przykład, zmiana pigmentacji jest mniej więcej równa w czasie, ale zmiana w szczecinkach hypandrial powraca do wartości D. yakuba w ciągu 5 pokoleń.

2.) Zachowanie godowe. Mogę to streścić krótko:pod wszystkimi aspektami zalecania się i kopulacji rój hybrydowy powrócił do ”dominującego”, kontynentalnego gatunku we wszystkich replikach do pokolenia 21. Innymi słowy, w roju D. yakuba/D. santoma wszystkie osobniki zachowywały się jak czyste muszki D. yakuba, a w roju D. simulans/D. mauritiana wszystkie osobniki zachowywały się jak czyste D. simulans. To dotyczy to tak samo samców, jak samic. Mamy więc powrót do czystego gatunku nie tylko w morfologii, ale także w zachowaniu.

3.) Sterylność w krzyżówkach gatunków. Raz jeszcze we wszystkich replikach obu rojów hybrydowych osobniki powróciły do cech płodności ”dominującego”, kontynentalnego gatunku do pokolenia 20. Na przykład, patrząc na osobniki w 8. replice rojów D. simulans/D. mauritiana, wszystkie samce w roju miały płodnych męskich potomków kiedy krzyżowały się z samicami D. simulans, ale miały sterylnych męskich potomków, kiedy krzyżowały się z samicami D. mauritiana. Tak samo było, kiedy krzyżowaliśmy samice z rojów hybrydowych z samcami albo z D. simulans, albo z D. mauritiana. I tak samo było za samcami z roju D.santomea/D. yakuba: pod koniec eksperymentu zarówno samce z roju, jak samice z roju zachowywały się pod względem płodności tak samo jak osobniki czysto D. yakuba. Znowu obserwujemy powszechny i powtarzalny powrót do „dominującego”, kontynentalnego gatunku.

4.) Skład DNA roju hybrydowego. Test w pokoleniu 20 pokazał, że we wszystkich rojach w obu gatunkach DNA gatunku wyspiarskiego w zasadzie został wyeliminowany i genomy rojów były niemal całkowicie genomami dominujących gatunków. Jednak pewne resztki specyficzne dla gatunków wyspiarskich pozostały w obu replikach, jak tego oczekiwano, ponieważ część z tego jest „neutralna” i nie podlega selekcji. Tutaj, na przykład, jest proporcja przodków w każdej replice (dwa paski dla każdej repliki zależnie od tego, którego genomu używaliśmy jako odnośnika) z DNA dominującego gatunku na żółto i DNA wyspiarskiego gatunku na czerwono. Pozostało bardzo niewiele DNA specyficznego dla wyspiarskiego gatunku, a te resztki, które pozostają, są „segregujące” tj. miejsca, które mają jedną kopię DNA wyspiarskiego i jedną kopię DNA dominującego w każdej danej pozycji (proszę pamiętać, że są dwie kopie każdego genu). Wyraźnie, DNA gatunku wyspiarskiego jest na drodze do zniknięcia.

Tutaj jest szeroki skan genomu z każdą pionową linią reprezentującą okno na 5000 zasad ze składem gatunku zaznaczonym na żółto (DNA dominującego gatunku jest obecne) i czerwono (DNA wyspiarskiego gatunku jest obecne, ale z niezbyt wysoką częstotliwością). Czytając z góry do dołu, widać DNA na jednym ramieniu chromosomu w ośmiu replikach  (istnieją cztery chromosomy z X mającym tylko po jednym ramieniu, drugim i trzecim po dwa ramiona i czwartym bardzo małym).

Jak widać, olbrzymia większość genomu jest żółta, pochodząc z dominującego gatunku (czerwony kolor wybija się, ale nie występuje zbyt często na czysto żółtym tle).  

Widać także, że pewne obszary genomu mają tendencję do pozostawania „segregującymi” we wszystkich replikach: na przykład, czubek trzeciego chromosomu w roju  D. simulans/D. mauritiana i na środkowym ramieniu drugiego chromosomu w roju D. yakuba/ D. santomea.

Wreszcie, żeby pokazać mizerną ilość obcego genomu, pozostającą w większości części genomu, tutaj jest wykres pokazujący dla każdego z pięciu ramion chromosomów, ile z genomu roju było segregującego: tj., jaka proporcja DNA miała pewne sekwencje od obu gatunków (niemal wszystko było „heterozygotyczne”, z jedną kopią sekwencji kontynentalnej i jedną kopią sekwencji wyspiarskiej). Osiem replik otrzymało różne symbole dla każdego ramienia.

Jak widać, dla niemal wszystkich miejsc chromosomów poza pewnymi replikami na ramieniu 3L w roju D. simulans/D. mauritiana i ramieniu 2R w roju D. yakuba/D. santomea, pozostało przeciętnie mniej niż 5% DNA gatunku wyspiarskiego. Na wszystkich ramionach poza jednym w roju D. yakuba/D. santomea nie pozostał niemal żaden obcy DNA.

Godne zauważenia jest to, że ilość obcego DNA na chromosomie X („płciowym”) była najniższa w obu rojach. To może być spowodowane faktem, że chromosom X zawiera szereg genów, które dają sterylność hybrydowych samców, a więc „wyspiarski” DNA został szybko wyeliminowany przez dobór. (A także, ponieważ X jest obecny tylko w jednej kopii u samców, zarówno recesywne, jak dominujące „geny sterylności” w pełni ulegają ekspresji, a więc są eliminowane dużo szybciej.)

Wielki wniosek: W replikach obu rojów i dla wszystkich mierzonych cech – morfologiczne, zachowania godowego, płodności i sekwencji DNA – cechy i DNA roju wyewoluowały (powróciły) w laboratorium do cech i DNA jednego, czystego gatunku. I we wszystkich wypadkach tym czystym gatunkiem był „dominujący”, kontynentalny gatunek: D. simulans w jednym roju i D. yakuba w drugim. Nie otrzymaliśmy „hybrydowego” gatunku, ale raczej dostaliśmy populację, której DNA był w zasadzie DNA czystego gatunku. Wyniki były wyraźnie zgodne we wszystkich replikach i ogólne wyniki bardzo podobne w obu rojach.   

W następnym (i ostatnim) poście spróbuję opisać znaczenie tych wyników i przedstawić pewne teorie o tym, dlaczego we wszystkich wypadkach nasze roje powróciły do dominującego, nie zaś wyspiarskiego gatunku.

Jeśli dotarliście tak daleko, dziękuję za przeczytanie!

________________

Matute, D. R., A. A. Comeault, E. Earley, A. Serrato-Capuchina, D. Peede, A. Monroy-Eklund, W. Huang, C. D. Jones, T. F. C. Mackay, and J. A. Coyne. 2020. Rapid and predictable evolution of admixed populations between two Drosophila species pairs. Genetics 214:211-230.

My last research paper. Part 2 Results

Why Evolution Is True, 28 stycznia 2020

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska