Различные виды бабочек пассифлоры (Heliconius) имеют похожие цветовые узоры, которые служат предупреждением хищникам. Ученые ранее обнаружили, что одна из причин их сходства заключается в том, что они фактически разделяют части своей ДНК благодаря гибридизации, которая произошла в какой-то момент их предков. Новые результаты показывают, что этот процесс обмена ДНК гораздо более распространен, чем считалось ранее.
Чтобы понять, как бабочки передают гены другим видам путем гибридизации, процесса, известного как интрогрессия, исследователи проанализировали новые сборки генома 20 видов бабочек Heliconius.
«Совместное использование ДНК было показано у близкородственных видов, но мы хотели глубже изучить филогенетическое древо», – сказал старший автор Джеймс Маллет, профессор органической и эволюционной биологии в резиденции и ассоциированный сотрудник популяционной генетики в Музее сравнительной зоологии. "То, что мы обнаружили, действительно поразительно: интрогрессия даже между видами, которые находятся в отдаленном родстве. "Виды" просто не то, что мы думали, и теперь у нас есть данные, чтобы показать это.
Эволюционное древо бабочек – это сплошное болото взаимосвязанности – кажется, что у каждой части генома бабочки есть свое дерево."
Ведущий автор Нейт Эдельман, аспирант группы Маллета, объяснил, что новые сборки генома функционируют как подробные геномные карты. Они создаются путем секвенирования коротких фрагментов ДНК, а затем их сборки в правильном порядке.
Сборки генома являются важным ресурсом для исследователей, поскольку они позволяют отображать гены обратно в геном.
«Самое интересное в создании сборок генома вместо простого« переупорядочивания »генома состоит в том, что меняются не только основы ДНК – целые структуры геномов могут изменяться в течение эволюционного времени», – сказал Эдельман. "И с помощью сборок мы можем обнаружить эти изменения."
Когда они начали анализировать скопления, команда обнаружила доказательства того, что одни гены способны перемещаться между видами, а другие гораздо более устойчивы к этому процессу. Одним из ключевых факторов, определяющих, может или не может ген двигаться, является базовый биологический процесс, называемый «рекомбинацией»."
«У людей и большинства животных каждый человек наследует две копии своего генома, одну от матери и одну от отца», – объяснил Маллет. "Причина, по которой вы генетически отличаетесь от своего брата или сестры, связана с рекомбинацией. Ваш отец предоставил вам недавно скремблированную рекомбинированную копию геномов своих родителей, как и ваша мать с геномами своих родителей. Таким образом, сочетание компонентов от каждого родителя индивидуально для каждого человека."
Считается, что рекомбинация выгодна, если целью является создание различных генотипов для будущих поколений.
Система рекомбинации, описанная в этом исследовании, предполагает, что она также происходит во время потока генов между видами. По мнению авторов, это может обеспечить возможный путь передачи адаптивных генов от одного вида к другому, а также внутри вида.
«Может показаться, что полезные гены с большей вероятностью будут передаваться между видами», – сказал соавтор Майкл Мияги из Гарвардского университета. "Это правда, но есть и более приземленные структурные проблемы с геномом, которые означают, что в некоторых регионах гены с большей вероятностью будут перемещаться туда-сюда."
По словам Эдельмана, то, часто ли эти гены перемещаются туда и обратно, зависит от того, насколько эти разные области рекомбинируют.
«В регионах с низкой рекомбинацией мы склонны видеть большее сопротивление потоку генов, чем в регионах с высокой рекомбинацией», – сказал он. «Мы думаем, что происходит то, что в регионах с очень высокой степенью рекомбинации гены, которые устойчивы или несовместимы, отделяются от генов, которые могут пересекать границы видов."
Команде удалось идентифицировать ключевой ген, который переключает цветовые узоры, как ген, перемещающийся между видами.
«Бабочки Heliconius известны своим цветным узором.
Мы обнаружили, что в одной конкретной области генома около 500 000 пар оснований были инвертированы относительно предковой последовательности », – сказал Мияги. "И в середине этой инверсии находится тот ген, который, как мы знаем, контролирует цветовой узор. Когда у вас есть такая инверсия, это означает, что вы храните все элементы в ней вместе, поэтому они не могут рекомбинировать."
Новые сборки генома также привели к открытию новой, более крупной инверсии на другой хромосоме.
Используя новый метод анализа, разработанный Мияги, исследователи показали, что одна из этих инвертированных последовательностей передавалась между видами.
«Если мы посмотрим на любой конкретный фрагмент ДНК, у каждого есть своя история», – объяснил Мияги. "Итак, метод, который мы разработали, смотрит на эти фрагменты ДНК и может сказать нам, какие из них более или менее подвержены интрогрессии."
В исследовании делается вывод о том, что гибридизация является одним из способов получения геномов для видов и может быть ключевым процессом в создании того разнообразия жизни, которое мы видим сегодня.
«В природе очень маловероятно, что какой-либо человек будет спариваться с представителем другого вида», – сказал Маллет. "Но с течением времени это происходит. Вероятно, это случается только с «самыми молодыми» группами видов – видами, которые быстро эволюционируют. Большая часть разнообразия жизни, вероятно, создается в этих быстрых излучениях.
Они участвуют в таких событиях, как происхождение млекопитающих. Во время этих излучений гибридизация и интрогрессия, которые мы здесь документируем, могут быть важным средством перетасовки вариаций и рекомбинации адаптаций из разных линий."
Исследование берет свое начало в Консорциуме генома Heliconius, созданном в 2009 году для решения вопросов эволюции и адаптации путем секвенирования генома одного вида бабочек Heliconius. Новое исследование сделало доступными 20 новых геномных сборок.
Данные исследования размещены в открытом доступе в публичных архивах.
«Открытые данные и обмен между лабораториями так важны для понимания эволюции и того, как происходят всплески разнообразия», – сказал Маллет. «В этом международном консорциуме каждый из нас привнес очень разные сильные стороны и помог друг другу делать научные исследования в целом лучше, и в результате мы получили ресурс, который наши сотрудники, как и все остальные, могут использовать в будущем."