Анализ геномов бабочек раскрывает ответы на вопросы сложной эволюционной истории
Красочные бабочки Heliconius обладают большим разнообразием рисунков крыльев и удивительной способностью мимикрировать под внешний вид других видов бабочек. Они также разделились на множество видов за короткий по эволюционным меркам срок, что сделало их важным объектом исследований для эволюционных биологов более века.
Однако один ключевой вопрос оставался нерешённым: почему группы видов, подобные Heliconius, диверсифицируются быстрее других? Используя новую, недорогую стратегию секвенирования на 20 полных геномах Heliconius, исследователи из Гарварда, Университета Бригама Янга (BYU) и MIT смогли найти ответы, реконструировав их эволюционную историю с большей детализацией, чем было возможно ранее.
В статье, опубликованной в Science, исследователи пролили свет на быстрое видообразование этих бабочек и описали эволюционную историю, насыщенную интрогрессией — процессом обмена генами между видами из-за скрещивания генетически различных особей. В глобальном масштабе результаты свидетельствуют, что модель эволюционного дерева, впервые знаменито изображённая Дарвином, может нуждаться в корректировке.
«Традиционный взгляд на эволюцию как на дивергирующее дерево не отражает сложности эволюционного процесса, — сказал соавтор исследования Пол Фрэндсен из BYU. — Вместо дерева это больше похоже на куст или сеть. Изучая целые геномы и используя наши новые методы, мы можем получить гораздо более ясную картину происходящего».
Обычно эволюционные отношения между видами представляют в виде филогенетического дерева, где каждый вид — конец ветви, а ряд бифуркаций (разделений) ведёт к каждой ветви. Однако для многих видов не существует разрешения в виде простого дивергирующего дерева — если бы эволюция была чистым процессом разделения, каждый ген имел бы одну и ту же эволюционную историю.
Всё больше учёных склоняются к мысли, что в случаях быстрого видообразования важную роль играет интрогрессия. Но до сих пор не было адекватных инструментов, чтобы исключить другие сценарии, такие как неполная сортировка линий (когда у двух видов есть общий предок с несколькими вариантами генов, которые не идеально сортируются по границам видов). Создав сборки 20 полных геномов, Фрэндсен и его коллеги получили самый большой набор данных для решения этой задачи.
Затем они разработали новый вычислительный метод, чтобы определить, чем вызваны конфликтующие эволюционные истории в геномах — интрогрессией или неполной сортировкой линий. Используя суперкомпьютерные мощности в Гарварде, Смитсоновском институте и BYU, они обнаружили, что интрогрессия стоит за 70% несовпадающих генеалогий, выявленных в геномах, по сравнению с 30% для неполной сортировки линий. Этот результат подтвердил, что даже когда события видообразования происходят близко во времени, гибридизация из-за интрогрессии может быть доминирующей причиной несоответствия генных деревьев.
«Мы смогли детально продемонстрировать важность интрогрессии между видами в этом роде, так что каждая хромосома представляла собой мозаику различных отношений с ближайшими родственниками, — сказал старший автор Джеймс Маллет, профессор Гарварда. — Кроме того, мы показали, что геномная архитектура, такая как хромосомные инверсии и локальная скорость рекомбинации, сильно влияет на скорость интрогрессии и на деревья отношений между видами».
Исследователи заявили, что статья задаёт шаблон для будущей работы в области филогеномики. По мере быстрого совершенствования технологий секвенирования и сборки геномов и появления новых, более крупных наборов данных по разнообразным видам, сравнительные исследования с использованием множественных высококачественных сборок полных геномов станут обычным явлением.
«Как минимум, эта статья должна помочь тем, кому трудно разрешить видовые деревья, задуматься о том, что ситуация может быть сложнее бифуркационных моделей, которые они использовали», — отметил Фрэндсен.