Международная команда картирует «большой взрыв» эволюции птиц
Геномы современных птиц раскрывают историю их возникновения и эволюции после массового вымирания, уничтожившего динозавров и почти всё остальное 66 миллионов лет назад. Эта история проясняется благодаря масштабному международному консорциуму Avian Phylogenomics Consortium, работавшему четыре года.
Первые результаты опубликованы почти одновременно в 29 статьях: восемь в специальном выпуске Science от 12 декабря и 21 в Genome Biology, GigaScience и других журналах.
Консорциум под руководством Гоцзе Чжана (Национальный генбанк BGI, Китай и Копенгагенский университет), Эриха Д. Джарвиса (Университет Дьюка и Медицинский институт Говарда Хьюза) и М. Томаса П. Гилберта (Музей естественной истории Дании) отсеквенировал, собрал и сравнил полные геномы 48 видов птиц, включая ворону, утку, сокола, попугая, журавля, ибиса, дятла, орла и других, представляющих все основные ветви современных птиц.
Более чёткая картина родословного древа птиц
Предыдущие попытки реконструкции с использованием частичного секвенирования ДНК или анатомических признаков приводили к противоречиям. Чтобы разрешить их, консорциум использовал данные полногеномного секвенирования.
Новое древо разрешает ранние ветви Neoaves («новых птиц») и поддерживает выводы о давно обсуждаемых связях. Например, данные указывают на три независимых происхождения водоплавающих птиц. Также выяснилось, что общий предок наземных птиц (включая певчих птиц, попугаев, дятлов, сов, орлов и соколов) был высшим хищником, который также дал начало гигантским «птицам ужаса», когда-то обитавшим в Америках.
Анализ датирует эволюционное расширение Neoaves временем массового вымирания 66 миллионов лет назад. Это противоречит идее о более раннем расцвете Neoaves (на 10–80 млн лет раньше). Согласно новым данным, лишь несколько птичьих линий пережили вымирание. Они дали начало более чем 10 000 видам Neoaves, которые составляют 95% всех современных видов птиц. Освободившиеся экологические ниши, вероятно, позволили быстрой радиации видов менее чем за 15 миллионов лет.
Вычислительные задачи для оценки видового древа птиц потребовали около 300 лет процессорного времени, а некоторые анализы — суперкомпьютеров с терабайтом памяти.
Геномная перспектива эволюции и биоразнообразия птиц
Исследование под руководством Чжана, Цай Ли и других показало, что по сравнению с другими рептилиями птичьи геномы содержат меньше повторяющихся последовательностей ДНК и потеряли сотни генов на ранней стадии эволюции после отделения птиц от других рептилий.
«Потеря этих ключевых генов могла значительно повлиять на эволюцию многих фенотипов птиц. Инновации создаются не новым генетическим материалом, а его потерей. Иногда меньше — значит больше», — отметил Чжан.
Структура генома птиц оставалась remarkably неизменной среди видов на протяжении более 100 миллионов лет. Скорость эволюции генов у всех видов птиц также медленнее по сравнению с млекопитающими.
Однако некоторые области генома эволюционируют быстрее у видов со схожим образом жизни или фенотипами (например, способностью к вокальному обучению). Этот паттерн конвергентной эволюции может объяснять, как далёкие виды птиц независимо развили сходные черты.
Важные открытия
Эволюция вокального обучения. Согласно новым данным, вокальное обучение независимо эволюционировало как минимум дважды и было связано с конвергентной эволюцией многих белков. Специализированные нейронные цепи для обучения пению у певчих птиц, попугаев, колибри и речевые области мозга человека демонстрируют конвергентные изменения в активности более чем 50 генов, многие из которых участвуют в формировании нейронных связей. Пение связано с активацией 10% экспрессируемого генома. У попугаев обнаружена уникальная «песенная система внутри песенной системы».
Половые хромосомы (Z и W). Исследование показало, что у половины видов птиц в W-хромосоме всё ещё содержится значительное количество активных генов. Это бросает вызов классическому взгляду, что W-хромосома — это «кладбище генов», как человеческая Y-хромосома. Птичьи виды находятся на drastically разных стадиях эволюции половых хромосом.
Потеря зубов. Сравнение геномов позволило идентифицировать ключевые мутации в частях генома, кодирующих эмаль и дентин. Данные свидетельствуют, что пять генов, связанных с зубами, были отключены за короткий период у общего предка современных птиц более 100 миллионов лет назад.
Связь с динозаврами. Птицы, как и их предки-динозавры, имеют множество микрохромосом. Курица имеет наиболее сходную общую хромосомную картину с предком птиц, которым считался оперённый динозавр. Исследование крокодилов (ближайших родственников птиц) показало, что у них один из самых медленно эволюционирующих геномов, что позволило infer геномную последовательность общего предка птиц и крокодилов (архозавров) и, следовательно, всех динозавров.
Вирусные последовательности. Геномы птиц содержат в 6–13 раз меньше эндогенных вирусных элементов (EVE) — «ископаемых» следов прошлых вирусных инфекций, — чем геномы млекопитающих.
Красочное оперение. Гены, участвующие в окраске перьев, эволюционировали быстрее других генов в 8 из 46 птичьих линий. У водоплавающих птиц наименьшее количество генов бета-кератина перьев, у наземных птиц — более чем в два раза больше, а у одомашненных видов — в восемь раз больше.
Исчезающие виды. Анализ геномов недавно находившихся на грани исчезновения видов (например, азиатского ибиса и белоголового орлана) показал, что гены, расщепляющие environmental токсины, имеют более высокую скорость мутаций, а у endangered видов ниже разнообразие генов иммунной системы. В восстанавливающейся популяции ибиса гены, связанные с функцией мозга и метаболизмом, эволюционируют быстрее, а геномное разнообразие больше ожидаемого, что даёт надежду для сохранения видов.
Консорциум создаёт публичную базу данных для изучения генетических основ сложных признаков птиц. Полный набор данных уже доступен публично в GigaScience, а также в базах данных NCBI, ENSEMBL и CoGe.