Абстрактный
Исследования адаптивного излучения обычно основаны на изучении эволюции в ретроспективе, что затрудняет оценку прогностической ценности концепции. Несколько излучений, в том числе рыбы-цихлиды в Великих озерах Восточной Африки, были тщательно изучены, однако ни в одном исследовании не изучалось начало внутривидовых процессов расширения и дифференциации ниш вскоре после колонизации адаптивной зоны цихлидами. Гаплохромные цихлиды одной из двух линий, засеявших озеро Виктория, недавно прибыли в озеро Чала, озеро, идеально подходящее для внутриозерного видообразования цихлид. Здесь мы делаем вывод о колонизации и демографической истории, количественно оцениваем фенотипическое, экологическое и геномное разнообразие и диверсификацию, а также исследуем режим отбора, чтобы спросить, проявляет ли популяция признаки диверсификации, напоминающие начало адаптивной радиации. Мы обнаружили, что с момента их прибытия в озеро гаплохромины колонизировали широкий спектр глубинных местообитаний, связанных с экологической и морфологической экспансией и началом фенотипической дифференциации и потенциально зарождающегося видообразования, что соответствует очень раннему началу адаптивного радиационного процесса. Более того, мы демонстрируем доказательства изрезанных поверхностей фенотипической пригодности, указывая на то, что текущий экологический отбор может способствовать фенотипической диверсификации.
1. Предыстория
Адаптивные излучения, когда несколько видов с различными адаптациями быстро возникают из одной популяции предков, представляют собой знаковые примеры эволюции. Считается, что адаптивная радиация возникает, когда популяция экологически разнообразного происхождения со склонностью к видообразованию сталкивается с экологическими возможностями [1-3], например, при колонизации местообитаний, незанятых существующими видами. Считается, что реакция на экологические возможности начинается с расширения внутривидовой экологической ниши, за которым следует всплеск фенотипической дифференциации, связанной с видообразованием [2,4,5]. Знаменитыми примерами адаптивной радиации являются антильские ящерицы-анолисы, галапагосские вьюрки, гавайские серебряные мечи, лобелиевые и пчелиные соты, а также рыбы-цихлиды Великих африканских озер [6-11].
Несмотря на то, что многие из этих излучений широко изучены, наши знания о самых началах процесса адаптивного излучения остаются ограниченными и в основном ограничиваются либо теоретическими исследованиями [2,5,12–14], либо небольшими излучениями в таксонах, которые лишь очень отдаленно связаны с теми, которые создавали классические большие излучения [15]. Некоторые важные вопросы, касающиеся механизмов, таких как, предшествует ли экологическая диверсификация видообразованию или следует за ним, вряд ли могут быть решены таким образом. Работа по экологическому видообразованию показала, что дивергенция в фенотипически различные и частично репродуктивно изолированные зарождающиеся виды иногда может происходить удивительно быстро, т.е. менее чем за 100 поколений [16,17]. Таким образом, чтобы понять процессы во время инициации адаптивного излучения, необходимо изучить самые первые поколения после колонизации новой адаптивной зоны. Для рыб цихлид адаптивными зонами, подверженными радиации, являются глубокие экваториальные озера с чистой водой, а линии цихлид с особой склонностью к видообразованию - это те, которые являются сексуально диморфными и экологически универсальными [18,19], особенно гаплохромины [19].
Озеро Чала, небольшое (4,2 км 2), но глубокое (ок. 90 м) экваториальная чистая вода (глубина Секки около 6,6 м) кратерное озеро в Танзании, в котором обитают четыре вида цихлид: эндемичный Oreochromis hunteri, неописанный вид Oreochromis (Oreochromis sp. ‘голубая голова", иногда ошибочно называемый Oreochromis korogwe), коптодон рендалли и гаплохромная цихлида комплекса Astatotilapia bloyeti [20]. Последние три, скорее всего, были введены после 1951 года [21,22].
Встречаясь в относительно глубоком и хорошо насыщенном кислородом озере [23], которое получает высокую солнечную энергию и имеет очень прозрачные воды, астатотилапия с половым диморфизмом цвета озера Чала отвечает всем требованиям для прохождения внутриотраслевой диверсификации [18]. Близкородственные представители этого рода были основателями многих самых крупных и быстрых излучений африканских рыб-цихлид [24-26], и было показано, что в течение нескольких тысяч лет в другом кратерном озере началось видообразование [27]. В отличие от всех этих случаев [24-27], астатотилапии в озере Чала, скорее всего, появились всего несколько десятилетий назад [21,22], что делает их идеально подходящей системой для исследования самого начала процессов, связанных с адаптивным излучением.
Здесь мы изучаем фенотипические, экологические и геномные вариации астатотилапий озера Чала через несколько десятилетий после того, как их предки прибыли в озеро. Мы проверяем гипотезы о том, что популяция расширила свою экологическую нишу и что она начала диверсифицироваться экологически, фенотипически и генетически. Мы реконструируем историю колонизации, оцениваем экологические, фенотипические и геномные вариации и дифференциацию между озерными цихлидами и их ближайшими речными родственниками, а также внутри озера. Наконец, мы оцениваем поверхности пригодности и спрашиваем, согласуются ли они с гипотезой о том, что популяция в настоящее время подвергается разрушительному естественному отбору, который может инициировать процесс адаптивного излучения.
2. Методы
(a) Отбор проб рыбы
В ноябре 2014 года мы взяли образцы астатотилапии из трех мест на озере Чала. В каждом месте мы отбирали пробы с градиентом глубины до наибольшей глубины, на которой все еще была рыба (55 м), используя жаберные сети (размеры ячеек: 12-22 мм от узла к узлу). Для каждой рыбы была записана глубина захвата и сделан стандартизированный снимок кюветы, обрезка плавника (для извлечения ДНК) и мышечной ткани (для анализа стабильных изотопов). Чтобы определить историю колонизации всех цихлид озера Чала и исследовать потенциальных межвидовых конкурентов, мы дополнительно отобрали образцы всех других видов цихлид в озере Чала (О. hunteri, O. sp. ‘голубая голова" и C. rendalli), а также астатотилапия, ореохромис (все виды) и коптодон из близлежащих водоемов (электронный дополнительный материал, приложение S1; [20]).
(b) Извлечение и секвенирование ДНК
ДНК была извлечена из обрезков плавников астатотилапии из озера Чала (n = 90, электронный дополнительный материал, таблицы S1 и S2), Ньюмба я Мунгу (NYM) (n = 6), озера Бабати (n = 22) и C. rendalli из озера Чала (n = 4) и Ньюмба я Мунгу (n = 2). Мы использовали протокол экстракции ДНК фенолхлороформом, описанный в Sambrook & Russell [28], и секвенировали 830 п.н. области D-петли митохондрий.
Для астатотилапии мы дополнительно выполнили секвенирование ДНК, связанной с сайтом рестрикции (RAD), чтобы восстановить общегеномные связи с гаплохромами в других водоемах Восточной Африки, а также восстановить демографическую историю и исследовать геномную дифференциацию в озере Чала. RAD-библиотеки были подготовлены в соответствии с протоколом Baird и др. [29], с небольшими изменениями [17]. Секвенирование проводилось на платформе Illumina HiSeq2500 в Центре интегративной геномики Университета Лозанны. Для обработки данных последовательности Illumina см. электронный дополнительный материал, приложение S2.
(c) Филогенетические реконструкции
Для реконструкции филогеографических взаимоотношений астатотилапии на северо-востоке Танзании мы выровняли наши митохондриальные последовательности в BioEdit v. 7.2.5 вместе с последовательностями из генбанка северо-восточной танзанийской клады A. sparsidens/ bloyeti [26]. Сети Темплтона, Крэндалла и Синга (TCS) были построены и визуализированы в popART [30]. Мы сделали то же самое для коптодона вместе с последовательностями генбанка большинства других видов коптодонов, встречающихся в северо-восточной Танзании [31,32]. То же самое было сделано для ореохромиса в [20]. Мы использовали RAxML 8.0.0 [33] для построения дерева максимального правдоподобия для астатотилапии северо-восточной Танзании, используя объединенные последовательности, полученные в результате секвенирования RAD, включая образцы A. sparsidens (озеро Маньяра), A. cf. блойети (водосбор Пангани), A. sp. из озера Бабати, Pundamilia spp. и Enterochromis spp. озера Виктория и Метриаклима зебра (озеро Малави) в качестве внешней группы [26].
d) Демографический анализ
Мы выполнили демографическое моделирование с помощью fastsimcoal 2.6 [34], сопоставив модели с наблюдаемыми многомерными частотными спектрами сайта, вычисленными в Arlequin [35], для тестирования четырех различных сценариев. Озеро Чала было смоделировано с (i) постоянной численностью населения, (ii) узким местом непосредственно после колонизации, (iii) непрерывным расширением, начинающимся непосредственно после колонизации, или (iv) узким местом непосредственно после колонизации, за которым следует непрерывное расширение (параметры приведены в электронном дополнительном материале, таблица S6). Каждая модель была объединена один раз с простым разделением между озером Чала и Астатотилапией Пангани и один раз с дополнительным вторым событием колонизации. Время колонизации определялось на основе каждой комбинации моделей с использованием трех различных и взаимодополняющих подходов к калибровке (более подробная информация содержится в электронном дополнительном материале, приложение S3).
Чтобы проверить, могли ли гаплохромины из региона озера Виктория или астатотилапии из близлежащего озера Маньяра или реки Руаха способствовать геномной изменчивости астатотилапии озера Чала, мы провели тесты интрогрессии (тесты ABBA-BABA) с помощью Admixtools 1.1 ([36], электронный дополнительный материал, приложение S4).
e) Морфология и трофическая экология
Для 284 самцов астатотилапии, 23 О. хантери, 72 О. "голубая голова" и девяти С. рендалли, мы измерили 15 линейных морфометрических расстояний, которые показали свою эффективность для количественной оценки тонких экологически и таксономически значимых морфометрических различий среди близкородственных видов гаплохромных цихлид [37,38], используя цифровые штангенциркули: стандартная длина (SL), длина головы (HL), ширина головы (HW), глубина тела (BD), длина нижней челюсти (LJL) и ширина (LJW), длина морды (SNL), ширина морды (SNW), глубина щеки (CHD), предорбитальная глубина (POD) и ширина (POW), межорбитальная ширина (IOW), длина глаза (EYL) и глубина (EYD), а также длина предчелюстной ножки (PPL; электронный дополнительный материал, рисунок S1). Эти расстояния были логарифмически преобразованы и скорректированы по размеру с использованием стандартизированных остатков линейной регрессии каждого логарифмически преобразованного признака по отношению к логарифмическому SL внутри каждого рода. Последующие анализы Astatotilapia sp. были ограничены половозрелыми мужчинами, чтобы не путать диверсификацию с онтогенетическими или связанными с полом вариациями.
Чтобы проверить, отличалась ли астатотилапия озера Чала морфологически от своих ближайших родственников за пределами озера, A. cf. блойети из реки Пангани (см. Результаты филогеографии), мы провели ANOVAs для каждого морфологического признака. Кроме того, мы проверили, была ли колонизация глубокого и чистого озера Чала (из мелкой и мутной реки и ее водохранилища) связана с прогнозируемым расширением реализованного морфопространства с поправкой на различные размеры выборки с использованием тестов на перестановку (электронный дополнительный материал, приложение S5). Все анализы, если не указано иное, были выполнены в R 3.2.1 [39].
Для количественной оценки фенотипических и экологических различий в пределах Astatotilapia sp. "Чала", мы количественно определили брачную окраску для всех половозрелых самцов, которые все еще демонстрировали брачную окраску после поимки (n = 84, электронный дополнительный материал, приложение S6, рисунок S2 и таблица S4), и проанализировали стабильные изотопные соотношения (δ13C и δ15N; n = 133) и содержимое желудка (n = 67; электронный дополнительный материал, приложение S7). Мы проверили индивидуальные различия в морфологии, связанные с экологией, выполнив ANOVA для каждого отдельного признака в зависимости от глубины воды и двух изотопных соотношений, отражающих экологию питания (δ13C, δ15N).
Чтобы проверить, находились ли астатотилапии в процессе дифференциации в экологически и фенотипически различные группы в пределах озера, мы визуально отсортировали нашу рыбу по фенотипическим группам на основе комплексной визуальной оценки формы тела и окраски (электронный дополнительный материал, таблица S3). В итоге мы получили девять потенциальных фенотипических групп, впоследствии названных "морфами" (BBE, синий живот; GAL, похожий на гаурохромис; LEA, худой; LEO, худой оранжевый; LMO, большой рот; ОШ, оранжевое плечо; PLB, синий планктивор; PLR, красный планктивор; YBE, желтый живот). Если особи, которых мы сгруппировали по морфам только на основании их внешнего вида, значительно отличаются друг от друга экологически и / или геномно, это будет указывать на то, что цихлиды озера Чала, возможно, начали диверсифицироваться. Чтобы выяснить, действительно ли фенотипические группировки представляют собой морфологически различимые группы, мы провели линейный дискриминантный анализ (LDA), рассчитали расстояния Бхаттачарьи между кластерами морфов в морфопространстве и проверили значимость с помощью T2-теста Хотеллинга. Мы хотели бы отметить, что наше использование термина "морф" никоим образом не подразумевает дискретные непересекающиеся группы, подобные тем, которые были описаны в трофических полиморфизмах рыб северного умеренного пояса [40].
(f) Популяционная геномика
Чтобы изучить генетическую дифференциацию между астатотилапией из озера Чала и астатотилапией из Ньюмба я Мунгу (верхняя Пангани), мы использовали 2770 однонуклеотидных полиморфизмов, сохраненных после фильтрации наших данных RAD-секвенирования для расчета F-статистики в Arlequin 3.5.1.4 [35]. Для проверки генетической структуры в пределах озера Чала мы дополнительно использовали параллельную структуру [41] и провели анализ основных компонентов (PCA) [42] в R (см. Электронный дополнительный материал, приложение S2). Поскольку мы не обнаружили генетической структуры между местами отбора проб в пределах озера Чала (наилучший показатель K = 1, незначимый FST между всеми местами (FST < 0,001, p > 0,95)), данные из всех мест были объединены для последующего анализа. В пределах озера Чала F-статистика была рассчитана для каждой пары морфов, между группами с различными митохондриальными гаплотипами и между группами с различной мужской брачной окраской. Чтобы проверить значимость FSTS между парами морфов, мы использовали тест на перестановку (электронный дополнительный материал, приложение S2).
(g) Оценка пригодности поверхностей
Вариабельность приспособленности в идеале измеряется как вариабельность индивидуального жизненного репродуктивного успеха, что практически невозможно получить для диких рыб в больших популяциях. Скорость роста успешно использовалась в качестве показателя пригодности у рыб, включая цихлид [43-45]. Мы определили темпы роста отдельных лиц, соотнеся их стандартную длину с их возрастом, измеренным по шкалам, и использовали это в качестве показателя пригодности, подход, который мы экспериментально подтвердили ранее ([45], см. также электронный дополнительный материал, приложение S8).
Изменение скорости роста оценивалось по сравнению с изменением фенотипических признаков для оценки доказательств фенотипического отбора с использованием обычного подхода регрессии наименьших квадратов Ланде и Арнольда [46] (электронный дополнительный материал, приложение S9) и канонического анализа с последующим собственным анализом [47,48]. Кроме того, мы провели регрессионный анализ проекции преследования (PPR), который сводит многомерные фенотипические данные к двум осям, которые объясняют большую часть вариаций пригодности и допускают более сложные поверхности пригодности, чем канонические анализы [48,49]. Обе оси PPR были проверены на их соответствие нашей исходной оценке скорости роста с использованием информационного критерия Akaike (ΔAICc)-пороговые значения (электронный дополнительный материал, приложение S9), что позволяет получить максимум три оптимума пригодности в пространстве фенотипа. Поверхности пригодности были визуализированы с помощью функции Tps в полях R-пакета [50].
Чтобы проверить влияние взаимодействия фенотипа и окружающей среды на пригодность, мы проверили, как изменяется взаимосвязь между пригодностью и одними и теми же комбинациями признаков по глубине воды и различаются ли комбинации признаков, которые наилучшим образом предсказывают изменение пригодности на разных глубинах. Для этого мы создали поверхности пригодности для пяти диапазонов глубин 10 м, используя одни и те же оси морфологических признаков, оцененные PPR для всех рыб со всех глубин вместе взятых (a1 и a2), и дополнительно создали поверхности пригодности для трех разных категорий глубины путем вычисления собственных значений / проекций, зависящих от глубины (электронный дополнительный материал, приложение S10). Чтобы проверить, были ли различия между поверхностями пригодности для разных диапазонов глубины значительными, мы выполнили парные тесты Уилкоксона со знаком ранга. Чтобы проверить, увеличивает ли включение глубины в качестве переменной соответствие модели, мы применили обобщенные аддитивные модели (подробнее см. Электронный дополнительный материал, приложение S11).
Чтобы проверить эволюционную реакцию на отбор, который может возникнуть в результате предполагаемых поверхностей пригодности, мы проверили, группируются ли особи вокруг локальных оптимумов пригодности в пространстве фенотипа, и является ли относительное появление одного морфа на одной стороне долины пригодности более частым, чем ожидалось (электронный дополнительный материал, приложение S12).
3. Результаты
(а) История колонизации озера Чала
Последовательности митохондриальной D-петли Astatotilapia из озера Чала выявили два четко различающихся гаплотипа (разделенных пятью мутациями в 830 п.н.). Оба гаплотипа являются общими с A. cf. bloyeti из близлежащего водохранилища реки Пангани (рис. 1 а, подробнее см. электронный дополнительный материал, приложение S13).
источник
