Pomimo istnienia wielu mechanizmów uniemożliwiających rozmnażanie się dwóch różnych gatunków w przyrodzie, hybrydyzacja jest powszechnym zjawiskiem, które ukształtowało genomy wielu współczesnych gatunków, w tym ludzi. Kiedy genomy dwóch różnych gatunków są łączone w drodze udanej reprodukcji, stanowi to źródło genetycznych nowości, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla pomocy populacjom w przystosowaniu się do zmieniających się środowisk. Zrozumienie ewolucji genomów hybrydowych jest zatem ważne, ponieważ może rzucić światło na to, jak powstają bariery gatunkowe, na koszty i korzyści hybrydyzacji oraz na funkcje genów i ich interakcje.

Naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego byli świadomi, że dwa gatunki mrówek leśnych, Formica aquilonia oraz F. polictena wyhodowali i utworzyli populacje mieszańców w kilku różnych miejscach w Finlandii. Naukowcy wykorzystali te znane populacje hybrydowe, aby zmierzyć, jak szybka i przewidywalna jest ewolucja genomów na wolności po zajściu hybrydyzacji. W tym przypadku przewidywalność dotyczy wyniku genetycznego po hybrydyzacji i kwestii, czy gdyby można było powtórzyć tę samą hybrydyzację, wyniki genetyczne byłyby podobne.

Naukowcy zebrali 39 mrówek z trzech różnych populacji hybrydowych w lasach południowej Finlandii, w pobliżu stacji zoologicznej Tvärminne. Następnie wygenerowali sekwencje DNA całego genomu tych osobników i porównali je z genomami 10 osobników mrówek obu gatunków rodzicielskich, znalezionych w obrębie i poza zakresami, w których mieszańce i gatunki rodzicielskie nakładają się. W tym celu współpracowali z naukowcami ze Szkocji i Portugalii oraz wykorzystali superkomputery z fińskiego centrum IT dla nauki (CSC). W sumie naukowcy przeanalizowali około 1,6 miliona polimorfizmów pojedynczych nukleotydów z lokalizacji w genomach mrówek.

Wyniki opublikowane w czasopiśmie PLOS Biologia, wykazało, że dla trzech różnych populacji hybrydowych hybrydyzacja między dwoma gatunkami mrówek wystąpiła zaledwie około 125 lat temu, co odpowiada 50 pokoleniom mrówek. Po hybrydyzacji trzy odrębne populacje hybryd ewoluowały niezależnie w kierunku tego samego wyniku genetycznego. Oznacza to, że obecnie genomy mrówek z populacji hybrydowych są do siebie niezwykle podobne pod względem składu genetycznego, mimo że początkowo były odmienne w czasie hybrydyzacji.

Aby wyjaśnić to nieoczekiwane odkrycie, naukowcy zbadali dowody na przepływ genów między populacjami hybryd oraz między hybrydami a gatunkami rodzicielskimi. Nie znaleźli dowodów na przepływ genów i doszli do wniosku, że aby wyjaśnić tę dość szybką ewolucję trzech populacji hybrydowych w kierunku podobnego genomu, muszą być zaangażowane inne mechanizmy. Sugerują, że dobór naturalny przeciwko szkodliwym genom u gatunków hybrydyzujących o najniższej efektywnej wielkości populacji (i przypuszczalnie większym obciążeniu niekorzystnymi allelami) może wyjaśnić, w jaki sposób populacje hybrydowe stały się genetycznie podobne w tak krótkim czasie.

Zapytany, czy wyniki te stanowią mały krok, czy ogromny skok w wiedzy, badacz Pierre Nouhaud z Wydziału Nauk Biologicznych i Środowiskowych Uniwersytetu w Helsinkach odpowiedział: „Po trochu jedno i drugie! Fińskie mrówki leśne dają możliwość obserwowania wielu, bardzo niedawnych zdarzeń hybrydyzacji, a stopień przewidywalności, który znaleźliśmy, pomimo tej niedawnej przeszłości, jest niezwykle wysoki, co jest dość nowatorskie. W międzyczasie nasze badanie potwierdza również wcześniejsze wyniki uzyskane na kilku gatunkach, w tym na ludziach, sugerując, że wzorce, które obserwujemy u mrówek leśnych, są dość ogólne”.

„W ewolucyjnej skali czasowej mamy do czynienia z niedawnymi wydarzeniami, mniej niż 50 pokoleniami mrówek, które miały bardzo mało czasu na pozostawienie śladów w sekwencjach DNA” – dodaje Nouhaud. „Oznacza to, że rozróżnienie między konkurującymi hipotezami może być trudne. W naszym badaniu przeprowadziliśmy symulacje komputerowe uwzględniające różne scenariusze ewolucyjne, aby uwzględnić tę niepewność i upewnić się, że nasze wyniki są solidne”.

Naukowcy podkreślają, że genomy hybrydowe zapewniają potężny wgląd w ewolucję, ponieważ są narażone na silne, często przeciwstawne, selektywne siły. W ten sposób ewolucja ukształtowała genomy hybryd w przewidywalny sposób, tak że genomy różnych populacji hybryd są teraz podobne. Wskazuje to, że naciski selekcyjne były podobne dla każdej populacji hybrydowej, co doprowadziło do usunięcia szkodliwych genów z genomów.

„Ponieważ hybrydyzacja jest również częsta u wielu gatunków innych niż mrówki, nasze wyniki mogą pomóc w bardziej ogólnym zrozumieniu jej konsekwencji” – podsumowuje docent Jonna Kulmuni z Wydziału Nauk Biologicznych i Środowiskowych Uniwersytetu Helsińskiego. „W dłuższej perspektywie nasza praca pomogłaby lepiej zrozumieć wpływ hybrydyzacji w środowisku naturalnym i ocenić, czy może pomóc gatunkom radzić sobie ze zmieniającymi się środowiskami” – mówi.

Następnie grupa badawcza mrówek będzie monitorować skład genetyczny populacji hybrydowych przez wiele lat, aby znaleźć dowody na adaptację i sprawdzić, czy hybrydy mogą łączyć zakresy temperatur obu gatunków, co może pomóc mrówkom leśnym radzić sobie z ocieplającym się klimatem. Według Nouhauda może to być dość ważne, ponieważ mrówki leśne są kluczowymi gatunkami lasów borealnych: dostarczają pożywienia wielu gatunkom, przyczyniają się do obiegu składników odżywczych i polują na wiele innych owadów. Bez nich fińskie lasy z pewnością wyglądałyby zupełnie inaczej.

—

Przez Alison Bosman, Earth.com Pisarz personelu

Sprawdź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji stworzonej przez Erica Rallsa i Earth.com.