Адаптация разных видов жуков к жизни в пещерах конвергентна на генетическом уровне

Среди обитателей экстремальных условий, таких как высокогорье или пещерные системы, встречается множество примеров конвергентной эволюции на фенотипическом уровне. Так, для пещерных видов из разных таксонов характерны потеря пигментации, редукция глаз и изменения циркадного ритма. Однако генетические основы подобных изменений до сих пор оставались мало изученными. В новой работе ученые из Испании и Австрии охарактеризовали генетические изменения, сопровождавшие переход к пещерному образу жизни у трех линий жуков.

Исследователи получили 41 протеом жуков из шести таксономических групп. Три из проанализированных линий содержали виды, независимо перешедшие к пещерному образу жизни, причем как сухопутные (они входили в группу Leptodirini), так и водные (представители Hydroporini и Bidessini). Всего авторы идентифицировали 14988 ортогрупп (семейств генов; OG; групп генов, произошедших от одного предкового гена).

В первую очередь ученые сравнили скорость изменения размера ортогрупп (где расширение группы соответствует приобретению копий гена, а сужение — потерям). Скорость приобретения/потери генов подземными линиями отличалась от общей скорости у 9,3% всех ортогрупп (1394 OG). При этом сравнение ортогрупп внутри линий показало, что значимо изменившихся OG у подземных видов было значительно меньше — 234 (около 2%) у водных жуков и всего 13 у наземных. Это свидетельствует сразу о двух вещах. Во-первых, водные виды претерпели больше изменений, чем сухопутные. Во-вторых, большая доля генетических изменений произошла еще до перехода к подземному образу жизни.

Для проверки второго предположения авторы провели полногеномный анализ приобретения, потери и дупликации генов. Оказалось, что большая часть изменений во всех линиях наблюдалась в ветвях, ведущих к последнему общему предку (сами изменения при этом заключались преимущественно в приобретении или дупликации генов). За ними следовали крупные изменения непосредственно в ветвях, перешедших к подземному образу жизни. Таким образом, у предков всех трех линий в ходе эволюции значительно возросло генетическое разнообразие, что, вероятно, способствовало последующему освоению новых ниш.

Далее исследователи изучили процессы параллельной и конвергентной эволюции у подземных видов. Анализ ветвей, ведущих к последнему общему предку в каждой из линий, показал, что 1–5% изменившихся ортогрупп были общими для всех трех линий. Еще 8–16% претерпели одинаковые изменения в двух линиях. Таким образом, большинство изменений были специфичными для линий. При этом их функциональная нагрузка примерно совпадала и включала изменения в сенсорных системах, развитии и метаболизме.

При рассмотрении изменений непосредственно в ветвях, ведущих к подземным видам, авторы обнаружили большую степень параллельной эволюции у водных линий (659 OG), в то время как у наземных линий она почти не была выражена. Небольшое количество OG также демонстрировало параллельную эволюцию между наземными и водными линиями. При этом большинство из них расширялись, свидетельствуя о том, что параллельная эволюция движется в основном приобретением генов. Функционально гены этих групп были связаны в основном с нервной системой, в частности, с функциями аксонов.

Исследователи также обнаружили высокую степень функциональной конвергенции среди ортогрупп, претерпевших специфичные для линий изменения. Данные ортогруппы были связаны с сенсорными системами, метаболизмом и развитием.

Наконец, авторы изучили влияние отбора на генетические изменения в подземных линиях. Для анализа они выбрали разошедшиеся ветви группы Leptodirini. Оказалось, что 20–30% параллельно расширявшихся OG (в зависимости от конкретной ветви) демонстрируют следы положительного отбора. При этом 12,5% из них несут признаки отбора в обоих проанализированных линиях. Такие результаты указывают на то, что условия в подземных местообитаниях направляют параллельную эволюцию.

Полученные результаты могут лечь в основу дальнейших исследований эволюционных процессов в популяциях, населяющих экстремальные местообитания.

Домовые мыши в Америке как пример параллельной эволюции

Параллельная эволюция популяций атлантической трески