Diferențierea genomică și structura populației intercontinentale a țânțarilor vectori Culex pipiens pipiens și Culex pipiens molestus

Originea monofilitică independentă a Culex pipiens pipiens pipiens și Culex pipiens molestus

Au fost propuse două ipoteze alternative pentru a explica diferențele în strategiile ecologice și fiziologice ale Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus19. O ipoteză explică această diferențiere ca o schimbare rapidă a trăsăturilor fiziologice și comportamentale ca o adaptare la un mediu subteran care este asociat cu activitățile umane22. În acest scenariu, populațiile locale de Cx. p. molestus trebuie să fie strâns înrudite cu populațiile locale de Cx. p. pipiens30. Acest scenariu consideră că Cx. p. molestus este o variantă ecofiziologică a lui Cx. p. pipiens. O ipoteză alternativă sugerează că diferența dintre Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus este un rezultat al distincției în istoria lor evolutivă. Strategiile ecologice și fiziologice ale lui Cx. p. molestus ar fi putut apărea pentru prima dată în condiții de climă caldă19. Ulterior, o astfel de strategie s-a dovedit a fi relevantă din cauza activităților umane care au creat un mediu subteran și, astfel, au răspândit Cx. p. molestus în întreaga lume. Acest scenariu consideră Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens ca fiind entități evolutive separate.

În studiul nostru, am testat aceste ipoteze folosind analiza genomului întreg a 40 de probe de Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens colectate din patru locații din Eurasia și America de Nord. Constatările noastre au respins ipoteza reemergenței lui Cx. p. molestus din populațiile locale de Cx. p. pipiens și au susținut puternic ideea unei origini monofiletice independente atât a lui Cx. p. pipiens, cât și a lui Cx. p. molestus de pe continente diferite. Analizele NJ și ML grupează separat Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus din Republica Belarus, Republica Kârgâzstan și Chicago, IL, SUA (Fig. 2, figurile suplimentare 1-3). Prezența unui grup hibrid suplimentar format din exemplare autogene și anautogene colectate pe teren din Washington, D.C., SUA, reflectă mai probabil existența unei zone hibride Cx. pipiens – Cx. quinquefasciatus în această zonă16. Cu toate acestea, pe baza distanțelor genetice, acest grup este mult mai apropiat de Cx. p. pipiens eurasiatic decât de Cx. p. molestus din Eurasia și SUA (Chicago, IL). În plus, analizele PCA (Fig. 3) și ADMIXTURE (Fig. 4) au identificat două clustere genetice distincte care corespund Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus. În ambele cazuri, toate exemplarele din Washington, D.C. s-au grupat împreună cu Cx. p. pipiens din alte locații. Valorile Fst pe perechi la nivel de genom au fost foarte semnificative pentru toate comparațiile (Fig. 5). Nu am identificat nicio regiune specifică de mare divergență în genom (Fig. 6). În general, valorile Fst au fost mult mai mari între Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens decât între probele autogene și anautogene de Cx. p. pipiens din Washington, D.C. Cel mai divergent grup, pe baza tuturor analizelor efectuate, a fost tulpina de Cx. p. pipiens. molestus din Chicago, IL, ceea ce poate fi explicat prin diversitatea genetică foarte scăzută a acestei tulpini, cauzată de colonizarea sa îndelungată și de un posibil gât de gâtul de sticlă, care a accelerat deriva genetică (Fig. 7).

Observații similare cu privire la originea monofilitică independentă a Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens au fost obținute cu ajutorul analizei cu microsateliți în ~600 de eșantioane de țânțari Cx. pipiens provenite din diferite locații din întreaga lume19. Procedura arborelui de distanță fără rădăcini a grupat separat populațiile supraterane de Cx. p. pipiens și populațiile subterane de Cx. p. molestus din nordul și sudul Europei. Similar studiului nostru, populațiile supraterane de Cx. p. pipiens din SUA au format un grup suplimentar, sugerând o hibridizare mai intensă între membrii complexului Cx. pipiens din America de Nord. Analiza amestecului a indicat prezența a trei clustere majore care au corespuns la Cx. p. molestus, Cx. p. pipiens și Cx. quinquefasciatus. Cel din urmă grup a fost găsit în acest studiu numai în probele din SUA. O altă lucrare bazată pe analize de polimorfism de lungime a fragmentelor amplificate (AFLP) a comparat eșantioane din sudul și nordul Europei și tulpini din Chicago, IL, SUA24. Populațiile nord-americane și europene utilizate în acest studiu au prezentat un model ADMIXTURE similar în analiza genomului AFLP. Analiza genelor COI a indicat, de asemenea, o origine monofilitică a Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus în Europa, Asia și Africa26.

Astfel, originea monofilitică independentă și nivelul ridicat de divergență genetică între Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens sugerează că acești doi membri ai familiei Cx. pipiens reprezintă entități filogenetice distincte cu istorii evolutive independente înainte de translocarea mediată de om.

Concepte de speciație și evoluție a complexului Culex pipiens

Modelurile teoretice de speciație la animale ar putea fi subdivizate în două grupe majore: speciație alopatrică sau geografică și speciație simpatrică sau ecologică. Primul concept de speciație, care a fost promovat intens de E. Mayr3, sugerează că taxonii incipienți se izolează mai întâi din punct de vedere geografic. Această situație reduce fluxul genetic dintre populații și poate duce la acumularea de mutații care provoacă incompatibilitate genetică între hibrizi. Un concept alternativ de speciație pune accentul pe barierele ecologice dintre taxonii emergenți ca factori principali ai evoluției31. Acest scenariu ia în considerare dezvoltarea izolării reproductive între populații ca urmare a adaptării la medii diferite fără izolare geografică, care are loc, de obicei, în fața fluxului genetic. În această situație, hibrizii dintre taxonii incipienți devin mai puțin adaptați la mediul înconjurător, ceea ce favorizează selecția naturală a oricăror trăsături care reduc împerecherea dintre ei. Considerăm că diversificarea globală a subspeciilor Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus reprezintă un exemplu izbitor de speciație prin mecanisme de izolare prin ecologie. În studiul nostru, analiza Fst a determinat niveluri semnificative de divergență genomică între Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus (Figurile 5 și 6) pe întregul genom, fără insule clare de speciație. În mod surprinzător, nivelurile de diferențiere au fost mai scăzute în jurul centromerilor, probabil din cauza numărului scăzut de SNV-uri fiabile în aceste regiuni foarte repetitive. Diferențierea a fost extrem de ridicată între tulpinile de Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus din Chicago, IL, SUA, dar a fost mai scăzută între subspeciile din colecțiile de țânțari din Eurasia. În general, aceste observații sugerează o restricție semnificativă a fluxului genetic între subspecii.

Au fost descrise mai multe mecanisme de izolare reproductivă între Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus17. Două dintre ele acționează prezigotic, înainte de fertilizare, și reduc oportunitățile de împerechere a țânțarilor. Primul mecanism este legat de specializarea habitatului larvelor: Cx. p. molestus ocupă subsolurile sau alte medii subterane, dar Cx. p. pipiens preferă corpurile de apă deschise deasupra solului pentru locurile de reproducere. Acest lucru reduce șansele ca cele două subspecii să se întâlnească și să se împerecheze în stadiile adulte. Al doilea mecanism de izolare se bazează pe diferențele de comportament de împerechere dintre Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens. Masculii de Cx. p. molestus formează de obicei roiuri omogene în apropierea solului și au nevoie de un spațiu limitat pentru împerechere17. În schimb, masculii de Cx. p. pipiens formează roiuri în apropierea frunzelor, la aproximativ 2-3 m deasupra solului. Studiile experimentale privind comportamentul de împerechere în cuști mici au indicat că, în cazul încrucișărilor de femele și masculi de Cx. p. molestus, succesul copulației a fost de 90 %, dar la Cx. p. pipiens a fost de numai 3,3 %32. La încrucișările între subspecii între Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens, succesul copulației a fost, de asemenea, scăzut și a variat între 6,6% și 10%, în funcție de sexele subspeciilor. Acest studiu a demonstrat că femelele din ambele subspecii evită în mod activ copulația cu masculi dintr-o subspecie alternativă. Mai mult, femelele de Cx. p. pipiens nu au reușit să primească spermă de la Cx. p. molestus și, ca urmare, nu au produs ouă.

Alte două mecanisme de izolare reproductivă descrise pentru Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus sunt postzigotice, acționează după împerechere și au ca rezultat scăderea fitness-ului hibrizilor. Unul dintre aceste mecanisme este legat de moștenirea diapausiei la hibrizii de Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens ca o trăsătură recesivă8. Hibrizii F1 și o parte semnificativă a hibrizilor F2 nu sunt capabili să dezvolte diapauză și nu pot supraviețui în condiții de iarnă. Acest mecanism ar putea explica, probabil, nivelurile mai ridicate de introgresie la Cx. p. pipiens în locațiile sudice19,23,24. În cele din urmă, membrii complexului Cx. pipiens sunt expuși la incompatibilitatea citoplasmatică a hibrizilor infectați cu diferite tulpini ale parazitului rickettsial Wolbachia pipientis. În ciuda introgresiei citoplasmatice a acestui parazit prin hibridare între membrii complexului Cx. pipiens33, incompatibilitatea citoplasmatică ar putea limita semnificativ ratele de supraviețuire a hibrizilor. De exemplu, infecția cu W. pipientis a redus semnificativ hibridizarea între Cx. pipiens și Cx. quinquefasciatus în Africa de Sud34. Un alt studiu a demonstrat că, în populațiile eurasiatice, Cx. p. molestus a fost infectat doar de o singură tulpină de W. pipientis, dar Cx. p. pipiens de două tulpini diferite35. Mai mult, specimenele de Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens, pe care le-am folosit în studiul nostru, au fost infectate cu aceleași tulpini de W. pipientis în sudul Republicii Kârgâzstan, dar cu tulpini diferite în nordul Republicii Belarus. Astfel, aceasta ar putea explica diferențele în ceea ce privește introgresia de la Cx. p. molestus la Cx. p. pipiens, care a fost mai pronunțată în Republica Belarus decât în Republica Kârgâzstan. De fapt, un exemplu interesant de speciație infecțioasă a fost descris în complexul sud-american Drosophila paulistorum. În acest complex, șase semispecii cu distribuție geografică suprapusă au devenit izolate din punct de vedere reproductiv ca urmare a izolării premergătoare și posterioare împerecherii declanșate de infecția cu Wolbachiae36.

Studii genomice recente efectuate pe diferite organisme, inclusiv Drosophila simulans37, muștele de fructe Rhagoletis38,39 și fluturii Heliconius40,41, oferă dovezi suplimentare că speciația ecologică are loc în natură. Tiparele genomice ale speciației pot fi foarte diferite2 , variind de la mici insule genomice de speciație40 până la niveluri semnificative de divergență pe întregul genom. O divergență genomică extinsă a fost identificată între speciile incipiente Anopheles gambiae și An. coluzzii în complexul An. gambiae42. Aceste specii au fost identificate inițial prin diferențe în structura ADN-ului lor ribozomal ca forme S și M43, dar ulterior statutul lor taxonomic a fost ridicat la nivel de specie44. Se crede că An. gambiae și An. coluzzii dezvoltă bariere reproductive în simpatrie ca urmare a diferențelor dintre preferințele lor ecologice45. Stadiul larvar al lui An. gambiae este asociat cu bălțile mici de ploaie. În schimb, An. coluzzi exploatează rezervoarele de apă persistente asociate cu cultivarea orezului. Deși, barierele premergătoare împerecherii între specii sunt incomplete46, acestea au dezvoltat diferențe în comportamentul lor de roi47,48 și tipuri de cântece divergente49.

Din acest motiv, un nivel ridicat de divergență la nivelul genomului, o diferență izbitoare în adaptarea la medii ecologice distincte și dovezi ale barierelor prezigotice și postzigotice pentru împerechere sugerează că Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus reprezintă unități ecologice distincte care suferă o speciație ecologică incipientă.

Hibridizare în complexul Culex pipiens

Cea mai intrigantă observație a membrilor complexului Cx. pipiens este că, în ciuda diferențelor de ecologie, fiziologie, comportament și distribuție geografică, aceștia pot totuși să se hibridizeze și să producă progenituri viabile în natură, ceea ce indică faptul că izolarea reproductivă dintre ei nu este completă. Studiul nostru a demonstrat, de asemenea, evenimente de hibridare semnificative între subspecia Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens. Comparația genomului întreg a indicat că majoritatea probelor de Cx. p. pipiens reprezintă indivizi cu un anumit nivel de introgresie de la Cx. p. molestus (Fig. 4). Am observat o discrepanță ridicată între filogenia nucleară și cea mitocondrială (Fig. 2, 8), ceea ce indică faptul că, din punct de vedere istoric, transmiterea genomului mitocondrial poate avea loc între subspecii. În același timp, nu am observat haplogrupuri comune între populațiile locale ale subspeciilor. Pe continente, toate filogeniile mitocondriale au fost puternic monofilitice, ceea ce indică o dispersie și o hibridizare mediată de masculi. Amestecul cu Cx. p. molestus a fost mai mare în populațiile sudice de Cx. p. pipiens din Republica Kârgâzstan și din Washington, D.C., SUA, dar mai mic în populațiile nordice din Republica Belarus și Chicago, IL, SUA. Acest lucru ar putea fi legat de o incapacitate a hibrizilor de a dezvolta diapaza în climatele reci. Pentru comparație, analiza microsateliților a relevat un nivel modest de hibridizare între Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus de ~8% în orașele din nordul SUA (Chicago, IL și New York, NY)30,50. În sudul Europei, unde Cx. p. pipiens și Cx. p. molestus pot fi găsite amândouă deasupra solului, nivelurile de hibridizare dintre ele au fost similare și au fost estimate la 8-10%51. Niveluri mult mai ridicate de hibridizare au fost găsite în populațiile sudice din estul SUA, unde ~40% din toate probele au fost identificate ca fiind hibrizi între Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens19. Astfel, ratele globale de hibridizare între membrii Cx. pipiens au fost mai mari în America de Nord decât în Lumea Veche. Pentru comparație, hibridizarea între speciile criptice din complexul An. gambiae (An. gambiae și An. coluzzi) a variat semnificativ între 1 % în Mali46 și >20 % în Guineea Bissau52, ceea ce este comparabil cu nivelurile globale de hibridizare între Cx. p. molestus și Cx. p. pipiens.

În mod curios, în studiul nostru, nu am determinat o semnătură de amestec cu Cx. p. pipiens în nicio probă de Cx. p. molestus din Republica Belarus, Republica Kârgâzstan și Chicago, IL, SUA (Fig. 4). Aceste constatări demonstrează un flux genetic foarte limitat sau inexistent de la Cx. p. pipiens la Cx. p. molestus. Studii anterioare20,51 au arătat constatări similare privind introgresia asimetrică de la Cx. p. molestus la Cx. p. pipiens. Mecanismul introgresiei asimetrice este necunoscut în prezent. O ipoteză sugerează că masculii de Cx. p. molestus, care se pot împerechea în spații restrânse, se pot hibridiza atât cu femelele de Cx. p. molestus, cât și cu cele de Cx. p. pipiens. În schimb, Cx. p. pipiens, care au nevoie de spațiu pentru a roi, au o dispoziție mai mare de a se împerechea cu femelele de Cx. p. pipiens51. Cu toate acestea, sunt necesare mai multe studii genetice populaționale și experimentale pentru a explica acest fenomen.

În cele din urmă, studiul nostru a demonstrat că Cx. p. pipiens poate dezvolta autogenia ca urmare a introgresiei adaptative a materialului genetic de la Cx. p. molestus. În probele colectate pe teren din medii supraterane și subterane din Washington, D.C., SUA, am selectat țânțari pentru autogenie. Țânțarii subterani au fost autogeni, dar țânțarii supraterani au fost anautogeni. Cu toate acestea, țânțarii atât din coloniile autogene, cât și din cele anautogene au format un singur cluster atunci când s-a aplicat analiza de alăturare a vecinilor (Fig. 2). Mai mult, abordările PCA (Fig. 3) și ADMIXTURE (Fig. 4) grupează aceste probe împreună cu Cx. p. pipiens din alte locații. Populații cu caracteristici mixte au fost găsite în Europa51 și în SUA53. În Portugalia, un model neobișnuit de comportament de hrănire a păsărilor cu sânge a fost, de asemenea, descoperit la Cx. p. molestus54.

Atunci, prezența hibridizării în curs de desfășurare între membrii complexului Cx. pipiens sugerează că procesul de speciație între aceștia nu este complet și că barierele postzigotice de izolare reproductivă nu sunt complet formate. În general, considerăm că membrii complexului Cx. pipiens reprezintă un model remarcabil pentru studierea diferitelor aspecte ale speciației geografice și ecologice în fața fluxului de gene în curs de desfășurare între ei și a adaptărilor locale la medii diverse.

.