Niegdyś zagrożone wyginięciem gajówki Kirtland wykazują rozległe oznaki chowu wsobnego w genomie

Z nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z Penn State wynika, że ​​genom niegdyś zagrożonego ptaka śpiewającego wykazuje rozległe oznaki chowu wsobnego. Ponieważ chów wsobny może negatywnie wpływać na przeżycie i reprodukcję, jego wyniki mogą pomóc w kontynuowaniu wysiłków na rzecz ochrony gajówki Kirtland, której populacje w dalszym ciągu opierają się na ekstensywnym zarządzaniu.

Wyniki nowego badania opublikowano 9 grudnia w czasopiśmie Aplikacje ewolucyjne, sugeruje również, w jaki sposób można wykorzystać informacje genetyczne dotyczące chowu wsobnego przy rozważaniu usunięcia gatunków z listy gatunków zagrożonych.

Gajówka Kirtland jest również znana jako wodniczka zwyczajna, ponieważ ich siedlisko lęgowe ogranicza się do młodych lasów sosny zwyczajnej w stanie Michigan. Gatunek ten prawie wyginął w latach 70. XX wieku z powodu zagrożenia siedlisk, a spadek populacji został pogłębiony przez brązowogłowe krowy, które składają jaja w gniazdach innych gatunków ptaków – w tym gajówek – i odwracają zasoby od swoich piskląt.

Gajówki Kirtland zostały sklasyfikowane jako zagrożone na mocy ustawy o gatunkach zagrożonych z 1973 r. Dzięki intensywnemu, ukierunkowanemu zarządzaniu przez kilka dziesięcioleci populacje wodniczek w Kirtland odrodziły się. Gatunek ten „wykreślono” z listy i nie uznawano go już za zagrożony w 2019 r., choć zdaniem badaczy wysiłki w zakresie zarządzania w dalszym ciągu mają kluczowe znaczenie dla jego przetrwania.

„Kiedy jakakolwiek populacja przechodzi przez okres, w którym występuje niewiele osobników rozrodczych, zwany „wąskim gardłem”, zawsze istnieje ryzyko chowu wsobnego, co może prowadzić do ograniczenia przeżywalności przyszłych pokoleń” – powiedziała Anna María Calderón, absolwentka biologii w z Penn State Eberly College of Science i pierwszym autorem artykułu.

„W decyzji z 2019 r. o wykreśleniu gajówki Kirtland z wykazu odniesiono się do badania, w którym nie znaleziono mocnych dowodów na chów wsobny, ale dostępne wówczas testy nie miały zbyt wysokiej rozdzielczości. Zastosowaliśmy zaktualizowaną technologię sekwencjonowania, aby uzyskać jaśniejszy obraz różnorodności genetycznej i potencjału dla chów wsobny wśród tych ptaków śpiewających.”

Podobnie jak inne zwierzęta, ptaki otrzymują po jednej kopii swojego genomu od każdego z rodziców. Niektóre warianty genetyczne mogą mieć negatywny wpływ na przeżycie lub sukces reprodukcyjny zwierzęcia. Prawdopodobieństwo otrzymania tego samego, potencjalnie szkodliwego wariantu od obojga rodziców wzrasta wraz z chowem wsobnym, gdy genetycznie podobne osobniki łączą się w pary.

Poprzednie badania różnorodności genetycznej – takie jak te, o których mowa w decyzji o skreśleniu z wykazu – często skupiały się na niewielkim zestawie specyficznych markerów w genomie zwanych mikrosatelitami, które dostarczają jedynie części obrazu. Jednakże postęp w technologii sekwencjonowania umożliwia obecnie niedrogą analizę całego genomu wielu osób.

„Jeśli pomyślisz o genomie jak o filmie przedstawiającym plan życia, wówczas użycie mikrosatelitów przypomina próbę przedstawienia fabuły na podstawie sześciu migawek, podczas gdy sekwencjonowanie całego genomu przypomina oglądanie całego filmu w rozdzielczości 4K” – powiedział David Toews, Louis Martarano, profesor biologii ds. rozwoju kariery w Penn State i współprzewodniczący zespołu badawczego.

„W wyniku sekwencjonowania całego genomu można uzyskać o wiele więcej informacji, a nowoczesna technologia umożliwiła taką analizę”.

Naukowcy zsekwencjonowali cały genom gajówki Kirtland i, dla porównania, zsekwencjonowali także całe genomy dwóch blisko spokrewnionych gatunków, których populacje pozostały duże i stabilne, a mianowicie gajówki kapturowej i zaplonówki amerykańskiej. Zespół szczególnie przyjrzał się miarom chowu wsobnego zwanemu „przebiegami homozygotyczności”.

Dane miejsce w genomie nazywa się homozygotą, gdy informacja genetyczna uzyskana od rodzica ze strony matki jest taka sama, jak informacja uzyskana od rodzica ze strony ojca. Przebiegi homozygotyczności (ROH) to długie, połączone ze sobą odcinki homozygotyczności, czasami o długości milionów liter alfabetu genetycznego.

Szczególnie długi ROH wskazuje, że osoby, które je noszą, są produktami niedawnego chowu wsobnego, podczas którego genetycznie podobne osobniki łączyły się w pary, a zatem były bardziej skłonne do przekazywania tej samej informacji genetycznej. Mniejsza liczba i krótsze okresy wskazują, że rodzice danej osoby są bliżej spokrewnieni.

„Przebiegi homozygotyczności dają nam wyjątkowe spojrzenie w przeszłość i mogą być wskaźnikiem zdrowia genomowego populacji” – powiedział Zachary Szpiech, adiunkt biologii w Penn State i drugi współprzewodniczący zespołu badawczego.

„Na przykład długi ROH powiązano z tym, jak dobrze inne gatunki przeżywają pierwszy rok życia. ROH może również sygnalizować potencjalnie szkodliwe warianty genetyczne, co może być przydatne przy rozważaniu ochrony ptaka”.

Naukowcy odkryli wyjątkowo długi ROH u gajówek Kirtland, co wskazuje na niedawny chów wsobny, który nie został wcześniej zidentyfikowany u tego gatunku. Ponadto u gajówek Kirtland odkryli wiele małych i średnich ROH, podczas gdy w przypadku dwóch blisko spokrewnionych gatunków nie było ich prawie wcale.

„Kontrast między gajówką Kirtland a najbliższymi spokrewnionymi gatunkami, u których nie wystąpiły żadne wąskie gardła populacyjne, nie może być bardziej wyraźny” – stwierdził Toews. „Nie znaleźliśmy żadnych dowodów na chów wsobny u gajówki gajówki ani zaplonówki amerykańskiej, a dla porównania poziom chowu wsobnego u wodniczek kirtlandzkich jest prawie poza skalą. Odkryliśmy również wysoką częstotliwość potencjalnie szkodliwych wariantów genetycznych. To daje nam jasny obraz obraz tego, jak historia demograficzna ptaków śpiewających może kształtować ich różnorodność genetyczną”.

Naukowcy zauważyli, że pobrane przez nich gajówki nie wydawały się mieć żadnych deformacji fizycznych. Stwierdzili jednak, że chów wsobny może objawiać się na etapach życia, których nie zaobserwowali, na przykład podczas rozwoju lub energochłonnego zadania migracji, lub też wpływać na aspekty ich sukcesu reprodukcyjnego, takie jak liczba złożonych jaj lub liczba wylęgów . Według Toewsa ciągłe monitorowanie tych ptaków w celu wyjaśnienia skutków chowu wsobnego będzie miało kluczowe znaczenie dla przyszłych wysiłków na rzecz ochrony.

„Otwartym pytaniem w przypadku tego gatunku jest to, czy populacja gajówki Kirtland zawsze była mała, czy też kiedyś była duża i uległa rozdrobnieniu” – powiedział Calderón. „Możemy faktycznie wykorzystać ROH do spojrzenia w przeszłość, wykorzystując współczynniki rekombinacji – jeden ze sposobów, w jaki genomy mogą wymieniać informacje – aby oszacować, kiedy pojawiły się określone kombinacje informacji genetycznej.

„Widzimy z tego, że większość segmentów DNA w obrębie krótkiego ROH u tych ptaków powstała w latach 1874–1954, głównie przed znanymi wąskimi gardłami. Sugeruje to, że populacje gajówek Kirtland mogły zawsze mieć niewielkie rozmiary. Ma to sens, biorąc pod uwagę wysoką liczebność populacji specyfika tych ptaków dla młodych borów sosnowych.”

Porównanie tych wyników z informacjami na temat rozmieszczenia i liczebności gatunku, gromadzonymi od lat czterdziestych XX wieku, może dostarczyć wglądu w wydarzenia, które ukształtowały genomy tych ptaków. Na przykład badacze datowali pochodzenie wielu segmentów DNA w obrębie długiego ROH na lata 1940–1981. Jest to zgodne z nagłym załamaniem populacji, które rozpoczęło się na początku lat czterdziestych XX wieku, ponieważ to wąskie gardło spowodowałoby większą liczbę dłuższych ROH.

Naukowcy planują także sekwencjonowanie genomów próbek muzealnych, w tym ptaków zebranych już pod koniec XIX wieku, aby zapewnić dodatkowy kontekst wokół wydarzeń ważnych genetycznie.

„Chociaż gajówki Kirtland są uznawane za sukces w dziedzinie ochrony środowiska, są one silnie wsobne i często występują w nich potencjalnie szkodliwe warianty genetyczne, które mogą mieć wpływ na ich zdolność do przetrwania” – stwierdził Calderón.

„Nasza praca stanowi ważny przykład tego, jak miary zdrowia genetycznego mogą przedstawiać inny obraz niż zwykłe liczby populacji. Obydwa należy wziąć pod uwagę przy ocenie odbudowy populacji i podejmowaniu decyzji dotyczących ochrony”.

Oprócz Calderóna, Toewsa i Szpiecha w skład zespołu badawczego wchodzi także Andrew Wood, technolog badawczy w laboratorium Toewsa w czasie prowadzenia badań, a obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Minnesota.