Быстрый рост популяции восстановил генетическое разнообразие коал после «бутылочного горлышка»

Прохождение через «бутылочное горлышко» — резкое уменьшение численности популяции —снижает генетическое разнообразие и усиливает инбридинг, что снижает фертильность, выживаемость и устойчивость к изменениям окружающей среды, а это, в свою очередь, сокращает численность. Так возникает «воронка вымирания» — ситуацию, когда уменьшающаяся популяция становится все более уязвимой за счет действия механизмов обратной связи.

Потеря генетического разнообразия в «бутылочном горлышке» не всегда необратима: быстрое восстановление численности может его увеличить за счет появления новых комбинаций генов и новых мутаций. Теория подтверждает такую возможность. Кроме того, многие инвазивные виды процветают несмотря на то, что у их популяций небольшое число основателей. Тем не менее примеры восстановления генетического разнообразия после сокращения численности вида в природе редки. Австралийские ученые обнаружили один из таких примеров — численность коал резко сократилась, а потом резко восстановилась, причем восстановилось и разнообразие.

Коалы (Phascolarctos cinereus) были широко распространены в восточной и южной Австралии, но из-за потери среды обитания, болезней и охоты ради меха их популяции сократились. На севере континента — в Квинсленде, Новом Южном Уэльсе и Австралийской столичной территории — они считаются находящимися под угрозой исчезновения. Южные популяции в штате Виктория, напротив, настолько многочисленны, что нуждаются в регулировании. В 1890-х годах несколько коал (менее десятка) были перевезены на два острова в Виктории, чтобы защитить их от охотников. Потомков этих животных переселяли на материк в течение всего ХХ века. В 1920-х годах в штате Виктория было 500–1000 особей, а к 2020 году их стало около полумиллиона. Коал даже перевозили из южных популяций в северные, но сейчас этот подход считается слишком рискованным, сложным и дорогостоящим. Кроме того, считалось, что популяции коал в штате Виктория, хотя и многочисленные, генетически ослаблены прохождением через «бутылочное горлышко».

 Credit: Desley Whisson/Cesar Australia |  Пресс-релиз

Авторы статьи в Science проанализировали данные полногеномного секвенирования 418 коал из 27 популяций по всей Австралии. Масштабные работы по секвенированию начались после «Черного лета» — лесных пожаров 2019-2020 годов на восточном побережье Австралии, которые усилили опасения за будущее этого вида. «Секвенировав 418 полных геномов, мы создали критически важную базовую базу для понимания того, как популяции коал эволюционируют с течением времени», — говорит соавтор работы Люк Силвер из Сиднейского университета.

На основе геномных данных исследователи реконструировали демографическую историю популяций коал, в том числе оценивали изменения эффективного размера популяции N_e (количество особей, необходимое для поддержания генетического разнообразия и участвующее в размножении). Отдаленная история популяций коал оценивалась с помощью коалесцентных моделей, более поздняя — с помощью анализа неравновесного сцепления.

Как и в более ранних работах, было подтверждено, что эффективный размер популяции коал вырос около 10 000 поколений назад (одно поколение у этого вида — примерно 7 лет), а затем сократился. Еще до европейской колонизации возникли различия между северными и южными популяциями: около 1000 поколений назад численность северных популяций стабилизировалась, а южных — продолжала сокращаться. Генетические данные также подтвердили быстрое восстановление южных популяций в последние 40 поколений и резкое снижение N_e в северных популяциях за последние 10–30 поколений.

Ожидаемо коалы из штата Виктория продемонстрировали самый высокий уровень гомозиготности (в среднем 68,1% их геномов занимают гомозиготные участки протяженностью более 50 т.п.н., тогда как у коал Нового Южного Уэльса 41,2%, Квинсленда — 36,0%). У южных коал также было наименьшим разнообразие как распространенных аллелей, так и редких, и наиболее редких (имеющих частоту менее 0,01). Однако наиболее редкие аллели в южных популяциях демонстрировали тенденцию к росту, что говорит о восстановлении разнообразия за счет мутаций. Моделирование эволюционных траекторий подтвердило, что быстрый рост численности может способствовать восстановлению редких аллелей.

Южные популяции, пережившие эффект «бутылочного горлышка», демонстрировали снижение мутационной нагрузки, увеличение N_e и появление новых редких вариантов. Северные популяции с более высоким генетическим разнообразием имели большую мутационную нагрузку, N_e у них снижался. Авторы пришли к выводу, что эта закономерность обусловлена быстрым ростом численности южных коал. Ключевым механизмом, лежащим в основе восстановления их генетического разнообразия, по мнению авторов, является рекомбинация, которая генерирует новые аллельные комбинации и разрушает старые, в том числе вредные, ускоряя распад неравновесного сцепления. Рекомбинация остается недооцененной в биологии сохранения видов, подчеркивают авторы.

«Это первое в мире доказательство того, что решения по сохранению видов не могут основываться на статичных показателях генетического разнообразия. Нам необходимо понимать направление эволюции популяций», — отметил первый автор статьи Колин Аренс из независимой исследовательской компании Cesar Australia.

Полученные данные важны для сохранения коал: возможно, неверно считать генетическим оплотом вида северные популяции. Тем не менее восстановление южных популяций остается хрупким и может быть уничтожено новым сокращением численности, подчеркивают авторы.

Таким образом, восстановление адаптивного потенциала популяций, переживших «бутылочное горлышко», может происходить за счет быстрого роста численности. Этот факт следует учитывать для стратегий управления природоохранной деятельностью, в том числе и применительно к другим охраняемы видам.

Ретровирусы вызывают рак у коал