Genominen erilaistuminen ja mannertenvälinen populaatiorakenne Culex pipiens -hyttysten keskuudessa pipiens ja Culex pipiens molestus

Independent monophyletic origin of Culex pipiens pipiens and Culex pipiens molestus

Culex pipiens pipiens pipiens and Culex pipiens molestus

Kahta vaihtoehtoista hypoteesia on ehdotettu selittämään Cx. p. pipiens ja Cx. p. molestus19. Yksi hypoteesi selittää tällaisen erilaistumisen nopeana muutoksena fysiologisissa ja käyttäytymispiirteissä sopeutumisena maanalaiseen ympäristöön, joka liittyy ihmisen toimintaan22. Tässä skenaariossa Cx. p. molestus -lajin paikallisten populaatioiden on oltava läheistä sukua Cx. p. pipiens -lajin paikallisille populaatioille30. Tässä skenaariossa Cx. p. molestus nähdään Cx. p. pipiensin ekofysiologisena muunnoksena. Vaihtoehtoisen hypoteesin mukaan Cx. p. pipiensin ja Cx. p. molestuksen välinen ero johtuu niiden erilaisesta evoluutiohistoriasta. Cx. p. molestus -lajin ekologiset ja fysiologiset strategiat ovat voineet syntyä ensin lämpimässä ilmastossa19. Myöhemmin tällainen strategia osoittautui merkitykselliseksi, koska ihmisen toiminta loi maanalaisen ympäristön ja levitti siten Cx. p. molestus -bakteeria kaikkialle maailmaan. Tässä skenaariossa Cx. p. molestus ja Cx. p. pipiens nähdään erillisinä evolutiivisina kokonaisuuksina.

Tutkimuksessamme testasimme näitä hypoteeseja käyttämällä 40:n Euraasiasta ja Pohjois-Amerikasta neljästä paikasta kerätyn Cx. p. molestus- ja Cx. p. pipiens -näytteen koko genomin analyysiä. Tuloksemme hylkäsivät hypoteesin Cx. p. molestus -lajin uudelleensyntymisestä Cx. p. pipiens -lajin paikallisista populaatioista ja tukivat vahvasti ajatusta sekä Cx. p. pipiens -lajin että Cx. p. molestus -lajin riippumattomasta monofyleettisestä alkuperästä eri maanosista. NJ- ja ML-analyysit klusteroivat erikseen Cx. p. pipiens ja Cx. p. molestus Valko-Venäjän tasavallasta, Kirgisian tasavallasta ja Chicagosta, IL:stä, Yhdysvalloista (kuva 2, täydentävät kuvat 1-3). Washingtonista, D.C:stä, Yhdysvalloista, kerättyjen autogeenisten ja anautogeenisten kenttäkeräysnäytteiden muodostaman hybridiklusterin esiintyminen kuvastaa todennäköisemmin Cx. pipiens – Cx. quinquefasciatus -hybridivyöhykkeen olemassaoloa tällä alueella16. Geneettisten etäisyyksien perusteella tämä klusteri on kuitenkin paljon lähempänä Euraasian Cx. p. pipiens -lajia kuin Euraasiasta ja Yhdysvalloista (Chicago, IL) peräisin olevaa Cx. p. molestus -lajia. Lisäksi PCA- (kuva 3) ja ADMIXTURE-analyysit (kuva 4) tunnistivat kaksi erillistä geneettistä klusteria, jotka vastaavat Cx. p. pipiens- ja Cx. p. molestus-lajia. Molemmissa tapauksissa kaikki Washington D.C.:stä peräisin olevat yksilöt ryhmittyivät yhteen muista paikoista peräisin olevien Cx. p. pipiens -yksilöiden kanssa. Genomin laajuiset pareittaiset Fst-arvot olivat erittäin merkitseviä kaikissa vertailuissa (kuva 5). Emme tunnistaneet genomissa mitään tiettyä aluetta, jolla olisi suuri eroavuus (kuva 6). Kaiken kaikkiaan Fst-arvot olivat paljon korkeammat Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin välillä kuin Washington D.C.:stä peräisin olevien Cx. p. pipiensin autogeenisten ja anautogeenisten näytteiden välillä. molestus-kanta Chicagosta, IL:stä, mikä voidaan selittää tämän kannan hyvin vähäisellä geneettisellä monimuotoisuudella, joka johtui sen pitkäaikaisesta kolonisaatiosta ja mahdollisesta pullonkaulasta, joka kiihdytti geneettistä ajelehtimista (kuva 7).

Samankaltaiset havainnot Cx. p. molestus:n ja Cx. p. pipiens:n riippumattomasta monofyleettisestä alkuperästä saatiin mikroosatelliittianalyysin avulla ~600:sta eri puolilta maailmaa peräisin olevasta näytteestä, jotka sisälsivät noin 600:aa eri puolilta maailmaa peräisin olevaa Cx. pipiens -hyttystä.19. Juurruttamattomalla etäisyyspuumenettelyllä klusteroitiin erikseen Cx. p. pipiensin maanpäälliset populaatiot ja Cx. p. molestuksen maanalaiset populaatiot Pohjois- ja Etelä-Euroopasta. Tutkimuksemme tavoin Yhdysvalloista peräisin olevat maanpäälliset Cx. p. pipiens -populaatiot muodostivat lisäklusterin, mikä viittaa voimakkaampaan hybridisaatioon Cx. pipiens -kompleksin jäsenten välillä Pohjois-Amerikassa. Sekoittumisanalyysi osoitti kolme suurta klusteria, jotka vastasivat Cx. p. molestus, Cx. p. pipiens ja Cx. quinquefasciatus. Jälkimmäinen klusteri löytyi tässä tutkimuksessa vain Yhdysvaltojen näytteistä. Toisessa AFLP-analyyseihin (amplified fragment length polymorphism) perustuvassa työssä verrattiin näytteitä Etelä- ja Pohjois-Euroopasta ja kantoja Chicagosta, IL:stä, Yhdysvalloista24. Tässä tutkimuksessa käytetyt pohjoisamerikkalaiset ja eurooppalaiset populaatiot osoittivat samanlaista ADMIXTURE-kuviota AFLP-genomiskannauksessa. COI-geenien analyysi osoitti myös Cx. p. pipiensin ja Cx. p. molestusin monofyleettisen alkuperän Euroopassa, Aasiassa ja Afrikassa26.

Siten Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin itsenäinen monofyleettinen alkuperä ja suuri geneettinen eroavuus viittaavat siihen, että nämä kaksi Cx. p. pipiens -lajin jäsentä ovat Cx. pipiens-kompleksin jäsenet edustavat erillisiä fylogeneettisiä kokonaisuuksia, joilla on itsenäinen evoluutiohistoria ennen ihmisen välittämää translokaatiota.

Käsitykset lajinmuodostuksesta ja evoluutiosta Culex pipiens-kompleksissa

Teoreettiset mallit lajinmuodostuksesta eläimillä voidaan jakaa kahteen pääryhmään: allopatriseen eli maantieteelliseen lajinmuodostukseen (allopatrinen eli maantieteellinen lajinmuodostukseen) ja sympatriseen eli ekologiseen lajinmuodostukseen. Ensimmäisen lajiutumiskäsityksen, jota E. Mayr3 voimakkaasti edisti, mukaan alkavat taksonit eristäytyvät ensin maantieteellisesti. Tämä tilanne vähentää geenivirtaa populaatioiden välillä ja voi johtaa sellaisten mutaatioiden kertymiseen, jotka aiheuttavat geneettistä yhteensopimattomuutta hybridien välillä. Vaihtoehtoisessa lajinmuodostuksen käsitteessä korostetaan syntyvien taksonien välisiä ekologisia esteitä evoluution tärkeimpinä ajureina31. Tässä skenaariossa katsotaan, että populaatioiden välille kehittyy lisääntymiseristys, joka on seurausta sopeutumisesta erilaisiin ympäristöihin ilman maantieteellistä eristyneisyyttä, mikä tapahtuu yleensä geenivirran vallitessa. Tässä tilanteessa syntymässä olevien taksonien väliset hybridit sopeutuvat huonommin ympäristöön, mikä edistää sellaisten ominaisuuksien luonnollista valikoitumista, jotka vähentävät niiden välistä pariutumista. Mielestämme Cx. p. pipiens- ja Cx. p. molestus -alalajien yleinen monipuolistuminen on silmiinpistävä esimerkki lajinmuodostuksesta ekologisen eristäytymisen mekanismien avulla. Tutkimuksessamme Fst-analyysi osoitti, että Cx. p. pipiensin ja Cx. p. molestuksen välillä on huomattavaa genomista eroavaisuutta (kuvat 5 ja 6) koko genomissa ilman selkeitä lajinmuodostuksen saarekkeita. Yllättäen erilaistumistasot olivat alhaisemmat sentromeerien ympärillä, mikä johtuu todennäköisesti luotettavien SNV:iden vähäisestä määrästä näillä voimakkaasti toistuvilla alueilla. Erilaisuus oli erittäin suurta Cx. p. pipiens- ja Cx. p. molestus -kantojen välillä Chicagossa, IL:ssä, Yhdysvalloissa, mutta vähäisempää Euraasian hyttyskokoelmissa olevien alalajien välillä. Kaiken kaikkiaan nämä havainnot viittaavat alalajien välisen geenivirran merkittävään rajoittumiseen.

Cx. p. pipiensin ja Cx. p. molestuksen välisen lisääntymiseristyksen useita mekanismeja on kuvattu17. Kaksi niistä toimii prezygoottisesti, ennen hedelmöittymistä, ja vähentää hyttysten parittelumahdollisuuksia. Ensimmäinen mekanismi liittyy toukkien elinympäristöjen erikoistumiseen: Cx. p. molestus asuu kellareissa tai muissa maanalaisissa ympäristöissä, mutta Cx. p. pipiens suosii avoimia maanpäällisiä vesistöjä lisääntymispaikkoina. Tämä vähentää näiden kahden alalajin mahdollisuuksia tavata ja paritella aikuisvaiheessa. Toinen eristysmekanismi perustuu Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin parittelukäyttäytymisen eroihin. Cx. p. molestus -urokset muodostavat yleensä homogeenisia parvia lähellä maata ja tarvitsevat vain vähän tilaa parittelua varten17. Sitä vastoin Cx. p. pipiens -urokset parveilevat lähellä lehtiä noin 2-3 metrin korkeudella maanpinnasta. Kokeelliset tutkimukset parittelukäyttäytymisestä pienissä häkeissä osoittivat, että Cx. p. molestus -lajin naaraiden ja urosten risteytyksissä parittelun onnistuminen oli 90 prosenttia, mutta Cx. p. pipiens -lajilla se oli vain 3,3 prosenttia32. Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin välisissä alalajien välisissä risteytyksissä kopulaation onnistuminen oli myös vähäistä, ja se vaihteli 6,6 prosentista 10 prosenttiin alalajin sukupuolesta riippuen. Tämä tutkimus osoitti, että molempien alalajien naaraat välttävät aktiivisesti kopulaatiota vaihtoehtoisen alalajin urosten kanssa. Lisäksi Cx. p. pipiens -naaraat eivät onnistuneet vastaanottamaan siittiöitä Cx. p. molestus -lajin naaraista, minkä seurauksena ne eivät tuottaneet yhtään munaa.

Kaksi muuta lisääntymistä eristävää mekanismia, jotka on kuvattu Cx. p. pipiens- ja Cx. p. molestus -lajeille, ovat postzygoottisia, eli ne toimivat parittelun jälkeen ja johtavat hybridien heikentyneeseen kuntoon. Yksi näistä mekanismeista liittyy diapaussin periytymiseen Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin hybrideissä resessiivisenä ominaisuutena8. F1-hybridit ja merkittävä osa F2-hybrideistä eivät kykene kehittymään diapaussiin eivätkä selviytymään talviolosuhteissa. Tämä mekanismi voisi ehkä selittää Cx. p. pipiensin korkeammat introgressiotasot eteläisillä alueilla19,23,24. Lopuksi Cx. pipiens -kompleksin jäsenet altistuvat sytoplasmaattiselle yhteensopimattomuudelle rickettsial-loisen Wolbachia pipientis -kannan eri kannoilla infektoituneissa hybrideissä. Huolimatta tämän loisen sytoplasmisesta introgressiosta Cx. pipiens -kompleksin jäsenten välisen hybridisaation kautta33 , sytoplasminen yhteensopimattomuus voi merkittävästi rajoittaa hybridien eloonjäämisastetta. Esimerkiksi W. pipientis -infektio vähensi merkittävästi Cx. pipiensin ja Cx. quinquefasciatuksen välistä hybridisaatiota Etelä-Afrikassa34. Toinen tutkimus osoitti, että Euraasian populaatioissa Cx. p. molestus sai tartunnan vain yhdestä W. pipientis -kannasta, mutta Cx. p. pipiens kahdesta eri kannasta35. Lisäksi tutkimuksessamme käyttämämme Cx. p. molestus ja Cx. p. pipiens -yksilöt tarttuivat samoihin W. pipientis -kantoihin Kirgisian tasavallan eteläosassa mutta eri kantoihin Valko-Venäjän tasavallan pohjoisosassa. Näin ollen se voi selittää erot Cx. p. molestus -kannan siirtymisessä Cx. p. pipiens -kantaan, joka oli voimakkaampaa Valko-Venäjän tasavallassa kuin Kirgisian tasavallassa. Itse asiassa mielenkiintoinen esimerkki tarttuvasta lajinmuodostuksesta kuvattiin eteläamerikkalaisessa Drosophila paulistorum -kompleksissa. Tässä kompleksissa kuusi puolilajia, joiden maantieteellinen levinneisyys oli päällekkäinen, erilaistui lisääntymisteknisesti Wolbachiae-infektion aiheuttaman parittelua edeltävän ja parittelun jälkeisen erilaistumisen seurauksena36.

Viimeaikaiset genomitutkimukset, jotka on tehty eri organismeilla, kuten Drosophila simulansilla37 , Rhagoletis-hedelmäkärpäsillä38,39 ja Heliconius-perhosilla40,41 , tarjoavat lisätodisteita siitä, että ekologista lajinmuodostusta esiintyy luonnossa. Lajinmuodostuksen genomiset mallit voivat olla hyvin erilaisia2 ja vaihdella pienistä genomisista lajinmuodostuksen saarekkeista40 koko genomissa esiintyviin merkittäviin eroihin. Anopheles gambiae -kompleksin aloittelevien lajien Anopheles gambiae ja An. coluzzii välillä havaittiin laajaa genomista eroavaisuutta42 . Nämä lajit tunnistettiin alun perin ribosomaalisen DNA:n rakenteen erojen perusteella S- ja M-muodoiksi43 , mutta myöhemmin niiden taksonominen asema nostettiin lajitasolle44. An. gambiae- ja An. coluzzii -lajien uskotaan kehittävän lisääntymisesteitä sympatriassa niiden ekologisten mieltymysten erojen vuoksi45. An. gambiaen toukkavaihe liittyy pieniin sadealtaisiin. Sitä vastoin An. coluzzi käyttää hyväkseen riisinviljelyyn liittyviä pysyviä vesialtaita. Vaikka lajien väliset prezygoottiset esteet ovat epätäydellisiä46, ne ovat kehittäneet eroja parveilukäyttäytymisessä47,48 ja toisistaan poikkeavia laulutyyppejä49.

Suuri genominlaajuinen eroavuus, silmiinpistävät erot sopeutumisessa erilaisiin ekologisiin ympäristöihin ja todisteet prezygoottisista ja postzygoottisista esteistä parittelussa viittaavat siihen, että Cx. p. pipiens ja Cx. p. molestus edustavat erillisiä ekologisia yksiköitä, jotka käyvät läpi alkavaa ekologista lajinmuodostusta.

Hybridisaatio Culex pipiens -kompleksissa

Kiehtovin havainto Cx. pipiens -kompleksin jäsenistä on se, että huolimatta eroista ekologiassa, fysiologiassa, käyttäytymisessä ja maantieteellisessä levinneisyydessä ne pystyvät silti risteytymään ja tuottamaan elinkelpoisia jälkeläisiä luonnossa, mikä osoittaa, että niiden välinen lisääntymiseristävyys ei ole täydellinen. Tutkimuksemme osoitti myös merkittäviä hybridisaatiotapahtumia alalajien Cx. p. molestus ja Cx. p. pipiens välillä. Koko genomin vertailu osoitti, että suurin osa Cx. p. pipiens -näytteistä edustaa yksilöitä, joissa on jonkinasteista introgressiota Cx. p. molestus -lajista (kuva 4). Havaitsimme suuria eroja ydin- ja mitokondriofylogenioiden välillä (kuvat 2, 8), mikä osoittaa, että mitokondriogenomien siirtyminen voi historiallisesti tapahtua alalajien välillä. Samaan aikaan emme havainneet alalajien paikallisten populaatioiden välillä yhteisiä haploryhmiä. Maanosissa kaikki mitokondriofylogeniat olivat vahvasti monofyleettisiä, mikä viittaa urosten välittämään leviämiseen ja hybridisaatioon. Sekoittuminen Cx. p. molestus -lajin kanssa oli suurempaa Cx. p. pipiens -lajin eteläisissä populaatioissa Kirgisian tasavallassa ja Washingtonissa, D.C.:ssä, Yhdysvalloissa, mutta vähäisempää pohjoisissa populaatioissa Valko-Venäjän tasavallassa ja Chicagossa, IL:ssä, Yhdysvalloissa. Tämä saattaa liittyä hybridien kyvyttömyyteen kehittää diapaussi kylmässä ilmastossa. Vertailun vuoksi mikrosatelliittianalyysi osoitti, että Cx. p. pipiensin ja Cx. p. molestusin välinen hybridisaatioaste on vaatimaton, ~8 % Yhdysvaltojen pohjoisissa kaupungeissa (Chicago, IL ja New York, NY)30,50. Etelä-Euroopassa, jossa Cx. p. pipiens ja Cx. p. molestus esiintyivät molemmat maanpäällisinä, niiden välinen hybridisaatiotaso oli samankaltainen, ja sen arvioitiin olevan 8-10 prosenttia51. Paljon korkeammat hybridisaatiotasot havaittiin Yhdysvaltojen itäosan eteläisissä populaatioissa, joissa ~40 % kaikista näytteistä tunnistettiin Cx. p. molestusin ja Cx. p. pipiensin välisiksi hybrideiksi19. Näin ollen Cx. pipiens -lajin jäsenten välinen yleinen hybridisaatioaste oli Pohjois-Amerikassa korkeampi kuin Vanhassa maailmassa. Vertailun vuoksi todettakoon, että An. gambiae -kompleksin kryptisten lajien (An. gambiae ja An. coluzzi) välinen hybridisaatio vaihteli merkittävästi 1 prosentista Malissa46 >20 prosenttiin Guinea Bissaussaussa52 , mikä on verrattavissa Cx. p. molestus ja Cx. p. pipiens.

Huomionarvoista on, että tutkimuksessamme emme määritelleet Cx. p. pipiensin sekoittumissignatuuria yhdessäkään Cx. p. molestus -näytteessä Valko-Venäjän tasavallasta, Kirgisian tasavallasta ja Chicagosta, IL:stä, Yhdysvalloista (kuva 4). Nämä havainnot osoittavat, että geenivirta Cx. p. pipiensistä Cx. p. molestukseen on hyvin vähäistä tai sitä ei ole lainkaan. Samankaltaisia havaintoja epäsymmetrisestä introgressiosta Cx. p. molestuksesta Cx. p. pipiensiin on saatu aikaisemmissa tutkimuksissa20,51. Epäsymmetrisen introgression mekanismia ei tällä hetkellä tunneta. Yhden hypoteesin mukaan Cx. p. molestus -lajin urokset, jotka voivat paritella ahtaissa tiloissa, voivat risteytyä sekä Cx. p. molestus- että Cx. p. pipiens -naaraiden kanssa. Sitä vastoin Cx. p. pipiens-uroksilla, jotka tarvitsevat tilaa parveiluun, on suurempi taipumus paritella Cx. p. pipiens -naaraiden kanssa51. Tämän ilmiön selittämiseksi tarvitaan kuitenkin lisää populaatiogeneettisiä ja kokeellisia tutkimuksia.

Tutkimuksemme osoitti lopuksi, että Cx. p. pipiens voi kehittyä autogeeniseksi Cx. p. molestuksesta peräisin olevan geneettisen materiaalin adaptiivisen introgression seurauksena. Kentältä kerätyistä näytteistä maanpäällisistä ja maanalaisista ympäristöistä Washingtonissa, D.C.:ssä, USA:ssa, valitsimme hyttyset autogeneesiä varten. Maanalaiset hyttyset olivat autogeenisia, mutta maanpäälliset hyttyset olivat anautogeenisia. Sekä autogeenisten että anautogeenisten pesäkkeiden hyttyset muodostivat kuitenkin yhden klusterin, kun naapureiden yhdistämisanalyysia sovellettiin (kuva 2). Lisäksi PCA- (kuva 3) ja ADMIXTURE-menetelmät (kuva 4) klusteroivat nämä näytteet yhdessä muista paikoista peräisin olevien Cx. p. pipiensin kanssa. Ominaisuuksiltaan sekoittuneita populaatioita löydettiin Euroopasta51 ja Yhdysvalloista53. Portugalissa Cx. p. molestus -lajilla havaittiin myös epätavallinen käyttäytymismalli lintujen verensyönnistä54.

Cx. pipiens -kompleksin jäsenten välinen jatkuva hybridisaatio viittaa siis siihen, että lajinmuodostumisprosessi niiden välillä ei ole vielä päättynyt eikä lisääntymiseristyksen postzygoottisia esteitä ole täysin muodostunut. Kaiken kaikkiaan uskomme, että Cx. pipiens -kompleksin jäsenet edustavat merkittävää mallia maantieteellisen ja ekologisen lajinmuodostuksen eri näkökohtien tutkimiseen, kun otetaan huomioon niiden välinen jatkuva geenivirta ja paikalliset sopeutumiset erilaisiin ympäristöihin.