Genomic differentiation and intercontinental population structure of mosquito vectors Culex pipiens pipiens és Culex pipiens molestus

A Culex pipiens pipiens pipiens és Culex pipiens molestus független monofiletikus eredete

Két alternatív hipotézist javasoltak a Cx. pipiens és Culex pipiens molestus ökológiai és fiziológiai stratégiái közötti különbségek magyarázatára. p. pipiens és a Cx. p. molestus19. Az egyik hipotézis az ilyen megkülönböztetést a fiziológiai és viselkedési tulajdonságok gyors változásával magyarázza az emberi tevékenységekkel összefüggő földalatti környezethez való alkalmazkodásként22. Ebben a forgatókönyvben a Cx. p. molestus helyi populációinak szoros rokonságban kell állniuk a Cx. p. pipiens helyi populációival30. Ez a forgatókönyv a Cx. p. molestust a Cx. p. pipiens ökofiziológiai változatának tekinti. Egy alternatív hipotézis szerint a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus közötti különbség evolúciós történetük különbözőségéből adódik. A Cx. p. molestus ökológiai és fiziológiai stratégiái először a meleg éghajlaton alakulhattak ki19. Később ez a stratégia az emberi tevékenységek miatt vált fontossá, amelyek földalatti környezetet teremtettek, és így a Cx. p. molestus az egész világon elterjedt. Ez a forgatókönyv a Cx. p. molestust és a Cx. p. pipiens-t különálló evolúciós egységnek tekinti.

Vizsgálatunkban ezeket a hipotéziseket 40 Cx. p. molestus és Cx. p. pipiens minta teljes genomjának elemzésével teszteltük, amelyeket Eurázsia és Észak-Amerika négy helyszínéről gyűjtöttünk. Eredményeink elvetették a Cx. p. molestusnak a Cx. p. pipiens helyi populációiból való újratermelődésének hipotézisét, és határozottan támogatták a különböző kontinensekről származó Cx. p. pipiens és Cx. p. molestus független monofiletikus eredetének elképzelését. Az NJ- és ML-elemzések külön-külön klaszterezik a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus egyedeit a Fehérorosz Köztársaságból, a Kirgiz Köztársaságból és Chicagóból, IL, USA (2. ábra, 1-3. kiegészítő ábra). A Washingtonból (D.C., USA) származó autogén és anautogén terepen gyűjtött példányok által alkotott további hibrid klaszter jelenléte valószínűleg egy Cx. pipiens – Cx. quinquefasciatus hibrid zóna létezését tükrözi ezen a területen16. A genetikai távolságok alapján azonban ez a klaszter sokkal közelebb áll az eurázsiai Cx. p. pipienshez, mint az eurázsiai és az USA-beli (Chicago, IL) Cx. p. molestushoz. Ezenkívül a PCA (3. ábra) és az ADMIXTURE (4. ábra) elemzések két különböző genetikai klasztert azonosítottak, amelyek megfelelnek a Cx. p. pipiensnek és a Cx. p. molestusnak. Mindkét esetben a Washingtonból származó összes példány együtt klasztereződött a más helyekről származó Cx. p. pipiensekkel. A genom-szintű páronkénti Fst-értékek minden összehasonlításnál rendkívül szignifikánsak voltak (5. ábra). A genomban nem azonosítottunk egyetlen specifikus, nagy divergenciájú régiót sem (6. ábra). Összességében az Fst-értékek sokkal magasabbak voltak a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens között, mint a Washingtonból származó Cx. p. pipiens autogén és anautogén mintái között. molestus Chicago, IL-ből származó törzs volt, ami a törzs nagyon alacsony genetikai diverzitásával magyarázható, amit a hosszú ideig tartó kolonizáció és az esetleges szűk keresztmetszet okozott, ami felgyorsította a genetikai driftet (7. ábra).

A Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens független monofiletikus eredetéről hasonló megfigyeléseket kaptunk a világ különböző pontjairól származó ~600 Cx. pipiens szúnyogmintán végzett mikroszatellita elemzéssel19. A gyökértelen távolságfa-eljárás külön-külön klaszterezte a Cx. p. pipiens föld feletti populációit és a Cx. p. molestus föld alatti populációit Észak- és Dél-Európából. A mi vizsgálatunkhoz hasonlóan az USA-ból származó Cx. p. pipiens föld feletti populációi további klasztert alkottak, ami a Cx. pipiens komplex észak-amerikai tagjai közötti intenzívebb hibridizációra utal. A keveredéselemzés három fő klaszter jelenlétét jelezte, amelyek a Cx. p. molestusnak, a Cx. p. pipiensnek és a Cx. quinquefasciatusnak feleltek meg. Ez utóbbi klasztert ebben a vizsgálatban csak az USA mintáiban találták meg. Egy másik, AFLP (amplified fragment length polymorphism) elemzéseken alapuló munka dél- és észak-európai mintákat és az USA-beli Chicagóból származó törzseket hasonlított össze24. A vizsgálatban használt észak-amerikai és európai populációk hasonló ADMIXTURE mintázatot mutattak az AFLP genomszkennelés során. A COI-gének elemzése szintén a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus monofiletikus eredetét jelezte Európában, Ázsiában és Afrikában26.

A Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens közötti független monofiletikus eredet és nagyfokú genetikai eltérés tehát arra utal, hogy a Cx. p. pipiens e két tagja a Cx. pipiens-komplexum két különálló filogenetikai egységet képviselnek, amelyek az ember által közvetített transzlokációt megelőzően független evolúciós történettel rendelkeztek.

A Culex pipiens-komplexum fajképzési és evolúciós koncepciói

Az állatok fajképzésének elméleti modelljei két nagy csoportra oszthatók: allopatrikus vagy földrajzi fajképzés és szimpatrikus vagy ökológiai fajképzés. A fajképződés első, E. Mayr3 által intenzíven támogatott koncepciója szerint a kialakulóban lévő taxonok először földrajzilag izolálódnak. Ez a helyzet csökkenti a populációk közötti génáramlást, és olyan mutációk felhalmozódásához vezethet, amelyek genetikai inkompatibilitást okoznak a hibridek között. A fajképződés alternatív koncepciója a kialakulóban lévő taxonok közötti ökológiai akadályokat hangsúlyozza, mint az evolúció fő mozgatórugóit31. Ez a forgatókönyv a populációk közötti reproduktív izoláció kialakulását tekinti a különböző környezetekhez való alkalmazkodás eredményeként, földrajzi izoláció nélkül, ami általában a génáramlással szemben következik be. Ebben a helyzetben a kialakulóban lévő taxonok közötti hibridek kevésbé illeszkednek a környezethez, ami elősegíti a köztük lévő párosodást csökkentő tulajdonságok természetes szelekcióját. Úgy véljük, hogy a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus alfajok általános diverzifikációja az izolációs-ökológiai mechanizmusokon keresztül történő fajképződés markáns példája. Vizsgálatunkban az Fst-elemzés a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus között jelentős genomikai divergenciát állapított meg (5. és 6. ábra) a teljes genomban, egyértelmű speciációs szigetek nélkül. Meglepő módon a centromerek környékén a differenciálódás szintje alacsonyabb volt, valószínűleg azért, mert ezekben az erősen ismétlődő régiókban kevés megbízható SNV található. A differenciálódás rendkívül magas volt a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus Chicago, IL, USA törzsei között, de alacsonyabb volt az eurázsiai szúnyoggyűjteményekben található alfajok között. Összességében ezek a megfigyelések az alfajok közötti génáramlás jelentős korlátozására utalnak.

A Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus közötti reproduktív izoláció több mechanizmusát is leírták17. Ezek közül kettő prezygotikusan, a megtermékenyítés előtt hat, és csökkenti a szúnyogok párzási lehetőségeit. Az első mechanizmus a lárvák élőhelyspecializációjához kapcsolódik: a Cx. p. molestus pincéket vagy más földalatti környezeteket foglal el, a Cx. p. pipiens viszont a nyílt, föld feletti víztesteket részesíti előnyben szaporodási helyként. Ez csökkenti a két alfaj találkozásának és párosodásának esélyét a kifejlett stádiumban. A második elkülönítő mechanizmus a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens közötti párzási viselkedésbeli különbségeken alapul. A Cx. p. molestus hímek általában homogén rajokat alkotnak a talaj közelében, és korlátozott helyet igényelnek a párzáshoz17. Ezzel szemben a Cx. p. pipiens hímek a lombozat közelében, a talaj felett kb. 2-3 m magasságban nyüzsögnek. A párzási viselkedés kis ketrecekben végzett kísérleti vizsgálatai azt mutatták, hogy a Cx. p. molestus nőstényeinek és hímjeinek keresztezésében a párzás sikere 90%-os volt, de a Cx. p. pipiens esetében csak 3,3%32. A Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens alfajok közötti keresztezésekben a kopuláció sikere szintén alacsony volt, és az alfajok nemeitől függően 6,6 % és 10 % között változott. Ez a vizsgálat kimutatta, hogy mindkét alfaj nőstényei aktívan elkerülik az alternatív alfaj hímjeivel való párzást. Ráadásul a Cx. p. pipiens nőstények sikertelenül fogadták a Cx. p. molestus spermáit, és ennek következtében nem termeltek petéket.

A Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus esetében leírt két másik reprodukciós elkülönítő mechanizmus posztzygotikus, a párzás után hatnak, és a hibridek csökkent fitneszét eredményezik. Az egyik mechanizmus a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens hibridjeiben a diapause recesszív tulajdonságként való öröklődéséhez kapcsolódik8. Az F1 hibridek és az F2 hibridek jelentős része nem képes diapauza kialakítására, és nem képes téli körülmények között túlélni. Talán ez a mechanizmus magyarázhatja a Cx. p. pipiens magasabb introgressziós szintjét a déli területeken19,23,24. Végül a Cx. pipiens komplex tagjai ki vannak téve a Wolbachia pipientis rickettsia parazita különböző törzseivel fertőzött hibridek citoplazmatikus inkompatibilitásának. Annak ellenére, hogy e parazita citoplazmatikus introgressziója a Cx. pipiens komplex tagjai közötti hibridizáció révén következett be33 , a citoplazmatikus inkompatibilitás jelentősen korlátozhatja a hibridek túlélési arányát. A W. pipientis fertőzés például jelentősen csökkentette a Cx. pipiens és a Cx. quinquefasciatus közötti hibridizációt Dél-Afrikában34. Egy másik tanulmány kimutatta, hogy eurázsiai populációkban a Cx. p. molestus csak egy W. pipientis törzzsel fertőződött, a Cx. p. pipiens viszont két különböző törzzsel35. Ráadásul a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens példányai, amelyeket tanulmányunkban felhasználtunk, a Kirgiz Köztársaság déli részén a W. pipientis ugyanazon törzsével fertőződtek, a Belarusz Köztársaság északi részén viszont különböző törzsekkel. Így ez magyarázhatja a Cx. p. molestusból a Cx. p. pipiensbe történő introgresszióban mutatkozó különbségeket, amely a Belarusz Köztársaságban kifejezettebb volt, mint a Kirgiz Köztársaságban. Valójában a fertőző speciáció érdekes példáját írták le a dél-amerikai Drosophila paulistorum komplexben. Ebben a komplexben hat, egymást átfedő földrajzi elterjedésű félfaj vált reproduktívan izolálttá a Wolbachiae-fertőzés által kiváltott premating és postmating izoláció eredményeként36.

A különböző szervezeteken, köztük a Drosophila simulans37, a Rhagoletis gyümölcslegyeken38,39 és a Heliconius lepkéken40,41 végzett újabb genomikai vizsgálatok további bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a természetben előfordul ökológiai speciáció. A fajképződés genomikai mintázatai nagyon különbözőek lehetnek2 , a fajképződés kis genomikai szigeteitől40 a teljes genomot átfogó jelentős mértékű eltérésig. Az Anopheles gambiae komplexen belül az Anopheles gambiae és az An. coluzzii kezdeti fajai között széles körű genomikai eltérést azonosítottak42. Ezeket a fajokat eredetileg a riboszómális DNS szerkezetében mutatkozó különbségek alapján S és M formaként azonosították43 , de később taxonómiai státuszukat faji szintre emelték44. Az An. gambiae és az An. coluzzii szimpatriában feltehetően szaporodási gátakat alakítanak ki az ökológiai preferenciáikban mutatkozó különbségek miatt45. Az An. gambiae lárvastádiuma kis esőmedencékhez kötődik. Ezzel szemben az An. coluzzi a rizstermesztéshez kapcsolódó tartós víztározókat használja ki. Bár a fajok közötti prezygotikus akadályok nem teljesek46 , különbségek alakultak ki a rajzó viselkedésben47,48 és az eltérő ének típusokban49.

Az egész genomra kiterjedő nagyfokú divergencia, a különböző ökológiai környezetekhez való alkalmazkodás szembetűnő különbsége és a párzás prezygotikus és posztzygotikus akadályainak bizonyítékai tehát arra utalnak, hogy a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus különböző ökológiai egységeket képviselnek, amelyek kezdeti ökológiai fajképződésen mennek keresztül.

Hybridizáció a Culex pipiens komplexben

A Cx. pipiens komplex tagjaival kapcsolatos legérdekesebb megfigyelés az, hogy az ökológiai, fiziológiai, viselkedési és földrajzi elterjedési különbségek ellenére a természetben képesek hibridizálni és életképes utódokat létrehozni, ami arra utal, hogy a köztük lévő reproduktív izoláció nem teljes. Vizsgálatunk jelentős hibridizációs eseményeket mutatott ki a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens alfajok között is. A teljes genom összehasonlítása azt mutatta, hogy a Cx. p. pipiens minták többsége a Cx. p. molestusból valamilyen szintű introgressziót mutató egyedeket képvisel (4. ábra). Nagy eltérést figyeltünk meg a nukleáris és a mitokondriális filogeniák között (2., 8. ábra), ami arra utal, hogy történelmileg a mitokondriális genomok átadása megtörténhet az alfajok között. Ugyanakkor nem figyeltünk meg az alfajok helyi populációi között közös haplocsoportokat. A kontinenseken az összes mitokondriális filogenezis erősen monofiletikus volt, ami a hímek által közvetített elterjedésre és hibridizációra utal. A Cx. p. molestusszal való keveredés magasabb volt a Cx. p. pipiens déli populációiban a Kirgiz Köztársaságban és Washingtonban, D.C., USA, de alacsonyabb az északi populációkban a Fehérorosz Köztársaságban és Chicagóban, IL, USA. Ez összefügghet azzal, hogy a hibridek nem képesek diapauza kialakítására hideg éghajlaton. Összehasonlításképpen a mikroszatellita-elemzés a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus közötti hibridizáció szerény, ~8%-os szintjét mutatta ki az USA északi városaiban (Chicago, IL és New York, NY)30,50 . Dél-Európában, ahol a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus egyaránt megtalálható volt a föld felett, a köztük lévő hibridizációs szint hasonló volt, és 8-10%-ra becsülték51. Sokkal magasabb hibridizációs szintet találtak az USA keleti részén található déli populációkban, ahol az összes minta ~40%-át a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens közötti hibridként azonosították19. Így a Cx. pipiens tagjai közötti általános hibridizációs arány Észak-Amerikában magasabb volt, mint az Óvilágban. Összehasonlításképpen, az An. gambiae komplexbe tartozó kriptikus fajok (An. gambiae és An. coluzzi) közötti hibridizáció szignifikánsan 1% között változott Maliban46 és >20% között Bissau-Guineában52 , ami hasonló a Cx. p. molestus és a Cx. p. pipiens között.

Meglepő módon a mi vizsgálatunkban nem állapítottunk meg Cx. p. pipiens keveredési szignált egyetlen Cx. p. molestus mintában sem a Fehérorosz Köztársaságból, a Kirgiz Köztársaságból és Chicagóból, IL, USA (4. ábra). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a Cx. p. pipiens és a Cx. p. molestus között nagyon korlátozott a génáramlás, vagy egyáltalán nincs. Korábbi tanulmányok hasonló eredményeket mutattak ki a Cx. p. molestusból a Cx. p. pipiensbe történő aszimmetrikus introgresszióról20,51 . Az aszimmetrikus introgresszió mechanizmusa jelenleg nem ismert. Az egyik feltételezés szerint a Cx. p. molestus hímjei, amelyek zárt térben képesek párosodni, mind a Cx. p. molestus, mind a Cx. p. pipiens nőstényekkel hibridizálhatnak. Ezzel szemben a Cx. p. pipiens hímek, amelyeknek a rajzáshoz térre van szükségük, nagyobb hajlandóságot mutatnak a Cx. p. pipiens nőstényekkel való párosodásra51. Ennek a jelenségnek a magyarázatához azonban további populációgenetikai és kísérleti vizsgálatokra van szükség.

Végezetül tanulmányunk bebizonyította, hogy a Cx. p. pipiens a Cx. p. molestusból származó genetikai anyag adaptív introgressziójának eredményeként autogén módon fejlődhet. Az USA-beli Washingtonban (D.C.) föld feletti és földalatti környezetből gyűjtött terepi mintákból autogén szúnyogokat válogattunk. A föld alatti szúnyogok autogének voltak, a föld feletti szúnyogok viszont anautogének. Az autogén és anautogén kolóniákból származó szúnyogok azonban egyetlen klasztert alkottak, amikor szomszédösszekötő elemzést alkalmaztunk (2. ábra). Ezenkívül a PCA (3. ábra) és az ADMIXTURE (4. ábra) megközelítések ezeket a mintákat más helyekről származó Cx. p. pipiensekkel együtt klaszterezik. Vegyes jellemzőkkel rendelkező populációkat találtak Európában51 és az USA-ban53. Portugáliában a Cx. p. molestus54 esetében is szokatlan mintázatot találtak a madarak vérrel való táplálkozási viselkedésében.

A Cx. pipiens komplex tagjai közötti folyamatos hibridizáció jelenléte tehát arra utal, hogy a köztük zajló fajképződési folyamat még nem zárult le, és a reproduktív izoláció posztzygotikus gátjai nem alakultak ki teljesen. Összességében úgy véljük, hogy a Cx. pipiens komplex tagjai figyelemre méltó modellt jelentenek a földrajzi és ökológiai speciáció különböző aspektusainak tanulmányozására a köztük folyó génáramlás és a különböző környezetekhez való helyi alkalmazkodás mellett.