Genomianalyysi paljastaa, että karoliinapapukaija katosi yhtäkkiä ja äkillisesti ilman mitään geneettisiä merkkejä, jotka liittyisivät populaation hupenemiseen, ja näin ollen lajin sukupuutto johtuu yksinomaan ihmisistä
alalaji (Conuropsis carolinensis carolinensis), oli tämän tutkimuksen DNA:n lähde. (Luotto: Marc Durà. Image courtesy of Carles Lalueza-Fox / Institute of Evolutionary Biology)
Marc Durà / Institute of Evolutionary Biology
Kunnes sata vuotta sitten, jolloin lajinsa viimeinen yksilö kuoli vankeudessa Cincinnatin eläintarhassa, Pohjois-Amerikassa asui oma endeeminen papukaijalajinsa: carolinapapukaija Conuropsis carolinensis. Karoliinipapukaijalla oli kaikista nykyisistä papukaijalajeista pohjoisin levinneisyysalue: sen levinneisyysalueen arvioitiin ulottuvan Coloradon itäosasta Atlantin valtamerelle ja New Yorkin osavaltion eteläosasta aina Meksikonlahdelle asti (ref; kartta).
sukupuuttoon kuolleen karoliinipapukaijan (Conuropsis carolinensis) alalaji: C. c. ludovicianus (sininen) ja C. c. carolinensis (vihreä), joiden levinneisyysalueiden päällekkäisyys on merkitty vaaleansinisellä. Voimakas punainen rajaus on Hasbrouckin (1891) piirtämän kartan levinneisyysalueen raja. (doi:10.1002/ece3.3135)
doi:10.1002/ece3.3135
Tämä pieni, hoikkarunkoinen neotrooppinen papukaija oli smaragdinvihreä, ja sillä oli kirkkaankeltainen pää ja kaula, punertavanoranssit kasvot ja vaalean sarvenvärinen nokka, ja sillä oli pitkä, terävä häntä. Koko Yhdysvaltojen keskiosissa sisämaassa elävän alalajin pystyi erottamaan rannikolla elävästä serkustaan sen vihreää höyhenpeitettä värjäävän sinisen sävyn perusteella.
Karoliinapapukaija oli rohkea ja seurallinen, ja sen nähtiin usein lentelevän satoja yksilöitä käsittävissä, riehakkaissa parvissa tasankometsissä, metsänreunamilla ja jokien ympärille syntyneillä kanjoninreunoilla. Valitettavasti nämä riehakkaat papukaijat joutuivat vastikään saapuneiden eurooppalaisten uudisasukkaiden tuhoavien taipumusten kohteeksi. He hävittivät niiden elinympäristön rakentaakseen kaupunkeja ja maatiloja, ja he vainosivat niitä armottomasti kostoksi hedelmä- ja viljasadon syönnistä sekä kerätäkseen niiden höyheniä muodikkaiden naistenhattujen koristeeksi, ja he jopa ampuivat niitä taivaalta vain siksi, että saivat kieroutuneesta mielihyvästä tappaa jotakin villiä, elävää ja kaunista.
Murheellista kyllä, vain hyvin harvat maanviljelijät ja luonnontieteilijät kiinnittivät koskaan tarpeeksi huomiota näiden papukaijojen tapoihin tietääkseen, että nämä linnut olivat ainutlaatuisen hyödyllisiä, koska ne pitivät kovakuoriaisesta (Xanthium strumarium). Mäkikuisma on laajalle levinnyt kasvi, joka tuottaa myrkkyä, joka on erityisen myrkyllistä maksalle, mutta karoliinipapukaijat olivat ainoa laji, jonka tiedetään syövän tätä kasvia tai sen siemeniä kärsimättä mistään haitoista. Tämä cocklebur-ruokavalio teki ilmeisesti Audubonin mukaan karoliinipapukaijan lihan myrkylliseksi.
Yllättävää kyllä, huolimatta sen elinympäristön laajamittaisesta tuhoutumisesta sekä näiden papukaijojen laajamittaisesta teurastamisesta, ihmiset kiistelevät yhä siitä, mikä lopulta ajoi karoliinipapukaijan sukupuuttoon. Johtuiko se siitä, että maahantuodut invasiiviset hunajamehiläiset varastivat papukaijojen pesäkoloja? Vai kenties jokin salaperäinen, nimeämätön siipikarjatauti hävitti ne? Vai oliko kenties (vaatimaton) lemmikkieläinkauppa syyllinen? Muutama vuosi sitten eräät viranomaiset väittivät hiljattain, että karoliinipapukaijan sukupuuttoon kuoleminen johtui näiden ja ehkä useiden muidenkin tekijöiden yhdistelmästä (ref; lue lisää täältä).
Eurooppalaisen tutkijaryhmän tekemä uusi DNA:han perustuva tutkimus (ref) näyttäisi kuitenkin vihdoinkin paljastaneen savuavan aseen karoliinipapukaijan traagisessa tarinassa. Ryhmä sekvensoi karoliinipapukaijan genomin, joka saatiin katalonialaisen luonnontieteilijä Marià Masferrerin (1856-1923) alun perin keräämästä yksilöstä, jota hänen jälkeläisensä pitävät nykyään hallussaan yksityisessä kokoelmassa Katalonian Espinelvesin kunnassa. Analysoituaan tämän papukaijan perimän tutkijat päättelivät, että karoliinipapukaija katosi yhtäkkiä ja äkillisesti – mikä vastaa raportteja ihmisistä, jotka tekivät pakkomielteekseen ampua nämä värikkäät linnut sukupuuttoon.
Ensimmäiset sukupuuttoon kuolleen karoliinipapukaijan ja uhanalaisen aurinkopapukaijan kokonaisten genomien sekvensoinnit
Tämä hanke sai alkunsa, kun Pere Renom, joka oli tohtoriopiskelijana evoluutiobiologian instituutissa (IBE), joka on Pompeu Fabra -yliopiston ja Espanjan kansallisen tutkimusneuvoston yhteinen instituutti, ja tiedetoimittaja, joka liittyi suosittuun katalonialaiseen tiedeohjelmaan ”Quèquicom”, havaitsi, että Kataloniassa sijaitsevassa yksityisessä kokoelmassa on yksi sukupuuttoon kuolleen karoliinipapukaijan yksilö. Hän tuli vakuuttuneeksi siitä, että muinaisen DNA:n talteenotto tästä yksilöstä ja sen mahdollinen käyttö sukupuuttoon kuolemisen estämiseksi olisi kiinnostavaa katseltavaa julkisessa televisiossa. (Renom oli oikeassa: tämä jakso, ”Desextinció: reviure una espècie”, palkittiin hiljattain espanjalaisella Prisma-palkinnolla vuoden 2019 parhaana tieteellisen tiedonlevityksen videona. Vaikka et puhuisikaan espanjaa, se on ehdottomasti katsomisen arvoinen.)
”Renom otti minuun yhteyttä ja kysyi, olisinko kiinnostunut yrittämään DNA:n talteenottoa näytteestä”, kertoi paleogeneetikko Carles Lalueza-Fox, IBE:n tutkija ja muinaisen DNA:n talteenoton ja analysoinnin auktoriteetti.”
Tämä käynnisti muinaisen DNA:n asiantuntijoista koostuvan tieteellisen ”unelmajoukkueen”, joka tutki yhteistyössä tätä ikonista papukaijaa. Professori Lalueza-Foxiin liittyi evoluutiobiologi ja paleogeneetikko M. Thomas P. Gilbert, joka on professori Kööpenhaminan yliopiston arvostetussa Geogenetiikan keskuksessa, joka on maailman johtava muinaisen DNA:n tutkimuksessa. Professori Lalueza-Fox ja professori Gilbert kokosivat yhteistyöryhmän, jonka tehtävänä oli auttaa palauttamaan ja rekonstruoimaan sukupuuttoon kuolleen karoliinipapukaijan ensimmäinen täydellinen genomi, analysoida tiedot lajin evoluutiohistorian selvittämiseksi ja lajin sukupuuton mahdollisen syyn määrittämiseksi.
Pere Renom (vasemmalla) ja geneetikko Carles Lalueza-Fox (oikealla) valmistautuvat keräämään kudosnäytettä sukupuuttoon kuolleesta karoliinipapukaijasta (Conuropsis carolinensis). Valkoiset ”avaruuspuvut” auttavat välttämään näytteen saastumista ihmisen DNA:lla. (Luotto: Marc Durà. Image courtesy of Carles Lalueza-Fox / Institute of Evolutionary Biology)
Marc Durà / Institute of Evolutionary Biology
Koska muumioitunut kudos on huono muinaisen DNA:n lähde, työryhmä röntgenkuvasi espinelves-näytteen nähdäkseen, miten se oli valmisteltu, ja tunnistaakseen luut, joista he saattaisivat saada käyttökelpoisen näytteen. Röntgenkuvat paljastivat, että näytteessä oli hyvin vähän luita – mutta onneksi siinä oli vielä vasemman jalan (reisiluu) luu. He käyttivät pientä luuporaa kerätäkseen pienen näytteen jauhemaista luukudosta reisiluun luusta, ja he keräsivät myös pienen kudosnäytteen varpaiden tyynystä.
Samaan aikaan genomista DNA:ta saatiin verinäytteestä vankeudessa kasvatetulta naaraspuoliselta aurinkopapukaijalta, Aratinga solstitialisilta, joka on läheinen geneettinen sukulainen. Aiemmin oli osoitettu, että karolina- ja aurinkopapukaijoilla oli yhteinen esi-isä noin 3 miljoonaa vuotta sitten, ja molemmilla lajeilla on kummallakin noin 1 000 geeniä. Aurinkopapukaijan ja karoliinipapukaijan genomit ovat siis hyvin samankaltaisia, joten aurinkopapukaijan genomi toimi vertailukohtana, kun Espinelvesin karoliinipapukaijan yksilöstä saadut muinaiset DNA-fragmentit kartoitettiin tietokoneella. Espinelves-näytteestä saatiin talteen ja koottiin uudelleen yhteensä yli 1100 miljoonaa emäsparia eli hieman yli yksi gigatavu.
aurinkopapukaijoiksi (Aratinga solstitialis), jotka ovat sukupuuttoon kuolleen karoliinipapukaijan (Conuropsis carolinensis) läheisiä sukulaisia. (Luotto: Shankar S. / CC BY 2.0)
Shankar S. Creative Commons -lisenssin kautta
Karoliinipapukaijan evoluutioon vaikuttivat maantieteelliset tapahtumat
Professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa käyttivät osia karoliinipapukaijan uudelleen kootusta ydingenomista arvioidakseen karoliinipapukaijan evolutiivisia sukulaisuussuhteita 17 sukupuuttoon jääneen papukaijalajin kanssa (kuva 1). Suuremmasta määrästä papukaijalajeja saatujen täydellisten mitokondriogenomitietojen perusteella arvioitu geenipuu antoi samankaltaisia tuloksia.
karoliinipapukaijan BEAST2-ohjelmalla rakennetun sukulaisuuspuun, joka perustui 18 papukaijalajin ja erään pikkupapukaijalajin (lihavoituna; yleiskieliset nimitykset) 50 ydinkeräisen UCE-loosiin. (Pere Gelabert / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019..10.066
Molekyylikelloanalyysi ydingenomin sekvenssiaineistosta viittaa siihen, että Aratinga-Conuropsis-jakauma tapahtui noin 2,8 miljoonaa vuotta sitten (mya), ja mtDNA-aineisto arvioi tämän jakauman tapahtuneen noin 3,8 mya:ssa. Molemmat päivämäärät osuvat suurin piirtein yksiin Panaman kannaksen arvioidun lopullisen sulkeutumisen kanssa, jonka on yleisesti hyväksytty tapahtuneen 3 mya (ref). Näin ollen vaikuttaa uskottavalta, että karoliinipapukaijan esi-isien leviäminen Pohjois-Amerikkaan tapahtui sen jälkeen, kun Pohjois- ja Etelä-Amerikan maamassat yhdistyivät.
DNA-analyysi paljastaa niukasti todisteita sisäsiitoksesta
Genomianalyysi osoitti, että karoliinipapukaijan populaatiokoko kasvoi keskipleistoseenin aikana, minkä jälkeen populaatiovaihtelut alkoivat viimeisen jääkauden aikana (joka alkoi noin 110 000 vuotta sitten ja päättyi noin 15 000 vuotta sitten) ja sitä seurasi populaation pieneneminen, joka jatkui viime aikoihin asti. Sitä vastoin uhanalaisella aurinkopapukaijalla havaittiin voimakkaampi, jatkuva populaation väheneminen ja pidempi ajanjakso, jolloin populaation tehollinen koko oli pienempi kuin karoliinipapukaijalla.
Professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa profiloivat sen jälkeen sekä karoliinipapukaijan että aurinkopapukaijan perimän kokonaisheterotsygotian ja pitkien homotsygoottijuoksujen jakauman. Näillä toimenpiteillä saadaan välähdyksiä näiden papukaijojen väestöhistoriasta. Heterotsygotia on yleisen geneettisen monimuotoisuuden mittari, kun taas RoH:t syntyvät, kun identtiset kromosomifragmentit periytyvät viimeaikaiselta yhteiseltä esi-isältä. Huomattavasti vähentynyt heterotsygotia on tyypillistä populaatioille, jotka ovat olleet pieniä ja eristyksissä pitkiä aikoja, kun taas kohonneita RoH-arvoja havaitaan yleensä sisäsiittoisissa populaatioissa (ref). Molempien mittareiden vähenemistä voidaan siis havaita uhanalaisten lajien genomissa.
eri taksonomisia järjestyksiä lukuun ottamatta Conuropsis carolinensis ja Aratinga solstitialis, jotka molemmat ovat Psittaciformes. Näytteet on väritetty IUCN-suojelustatuksen mukaan. (Luotto: Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa havaitsivat, että sukupuuttoon kuolleella karoliinapapukaijalla oli yhtä paljon geneettistä monimuotoisuutta kuin monilla nykyisin elävillä linnuilla, jotka IUCN luokittelee ”vähiten huolestuttaviksi” (kuva 3). Sen sijaan uhanalaisen aurinkopapukaijan heterotsygotian taso oli paljon alhaisempi, mikä saattaa johtua siitä, että se on vankeudessa kasvatettu lintu. (Espanjalaiset lintutieteilijät ovat kasvattaneet aurinkopapukaijaa vankeudessa monien vuosien ajan.)
Espinelvesin karoliinipapukaijan yksilössä oli 188 RoH:ia, joista yhdeksän oli yli 1 000 000 baseparin (1Mb) pituisia – tosin vertailun vuoksi vankeudessa kasvatetulla aurinkopapukaijalla oli 611 RoH:ia, joista 85 oli yli 1Mb:n pituisia. Yksi Carolina-papukaijan RoH oli erityisen silmiinpistävä, koska se oli yli 7,15 Mb:n pituinen, mikä viittaa siihen, että Espinelvesin yksilön esi-isät ovat saattaneet olla hiljattain sisäsiittoisia (tosin pitkälle RoH:lle on muitakin syitä). Tästä syystä on mahdollista, että Espinelvesin karoliinapapukaijan yksilö on ehkä kasvatettu vankeudessa.
Karoliinapapapukaijat ovat sopeutuneet syömään myrkyllisiä torakoita
Tiedän, että tätä te kaikki olette istuneet istuimenne reunalla odottamassa: vastausta kysymykseen, miten karoliinapapukaija pystyi syömään myrkyllisiä torakoita putoamatta kuolleena.
Vaikka karoliinapapukaijat söivät monenlaisia hedelmiä ja siemeniä sekä joitakin kukkia ja nuppuja, se oli ilmeisesti mieltynyt torakoihin. Esimerkiksi kokoelma 99:stä karoliinapapukaijoista tehdystä ruokailuhavainnosta osoitti, että suurin havaittu kasvin syönti (N = 17) oli kukonkannus (ref).
Kukankorennot sisältävät erittäin myrkyllistä diterpeeniglykosidia, karboksiatraktylosidia tai ”CAT”, joka estää spesifisesti minkä tahansa neljästä mitokondriaalisesta kuljettajasta, ADP/ATP-translokaasista (ANT1-, ANT2-, ANT3- ja ANT4-koodit SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 ja SLC25A31), joilla on perustavanlaatuinen rooli solujen energiantuotannossa. Määrittääkseen, oliko jollakin tai kaikilla näistä neljästä mitokondriaalisesta transporterista molekyylimuutoksia, jotka estävät CAT:n sitoutumisen ja siten niiden estämisen, professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa tutkivat näitä geenejä tarkemmin vertailemalla niiden sekvenssejä samojen geenien sekvensseihin muissa lajeissa (ortologit) (kuva 4).
Mitokondrioiden ulkoisen- ja sisemmän kalvoston esitys (zoomaamalla B:n kohdalle). (B) Piirroskuva naudan ANT-proteiinin röntgenkristallografisesta rakenteesta (ATP:n ja ADP + Pi:n virtausta estävän CAT:n aiheuttaman eston likimääräinen sijainti). (C) Conuropsiksen SLC25A4:n kolmiulotteinen mallinnettu rakenne, jossa SLC25A4:n muuttuvat sijainnit on merkitty keltaisella ja SLC25A5:n vaaleanoranssilla (molemmat mallinnetut proteiinirakenteet ovat melko samankaltaisia – joten yksinkertaistamisen vuoksi esitettiin vain toinen). Proteiinin punainen alue vastaa taskua. (D) Sisäkuva Conuropsiksen SLC25A4:n 3D-mallinnetusta rakenteesta (paikat merkitty kuten C:ssä). (E) Conuropsiksen SLC25A4:n aseman A122V ympärillä olevien aminohappojen peräkkäinen kuvaus (vertailu alhaalta alaspäin: ihminen; lehmä; hiiri; opossumi; C. carolinensis; A. solstitialis; kana; anoli, pyton; vihreä kilpikonna; ja krokotiili) ja taskujen paikkojen merkitseminen (punaisella) esitetyssä proteiinisegmentissä. (Luotto: Pere Gelabert et al. doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa havaitsivat, että kahdessa karoliinipapukaijan neljästä mitokondriaalisesta siirtäjägeenistä on kaksi aminohappomuutosta aurinkopapukaijan samoihin geeneihin verrattuna. Nämä kaksi kohtaa vaikuttavat todennäköisesti molempien proteiinien toimintaan. Näyttää siis siltä, että nämä mutaatiot ovat luoneet ainutlaatuisen mekanismin karoliinipapukaijan ruokavaliossa olevan myrkyllisen CAT:n käsittelyyn.
Savuava ase
Kaksi vuotta myöhemmin muinainen DNA:n ”unelmaryhmä” ilmoitti, että kahden läheisesti sukua olevan neotrooppisen papukaijan koko perimän sekvensoinnin ja analyysin tuloksena he olivat löytäneet savuavan aseen karoliinipapukaijan sukupuuttotragediaan.
Ensiksikin he löysivät karoliinipapukaijan genomin analyysin perusteella geneettisen monimuotoisuuden tason, joka on verrattavissa muihin olemassa oleviin lintupopulaatioihin, jotka eivät ole uhanalaisia. Tämä viittaa siihen, että nämä ikoniset papukaijat kokivat ”äkillisen sukupuuttoprosessin, joka ei jättänyt jälkiä papukaijan genomiin.”
”Emme viittaa mihinkään tiettyyn syyhyn”, professori Lalueza-Fox varoitti sähköpostitse, ”vaan siihen, että niiden genomissa ei ole merkkejä pitkäaikaisesta väestörakenteen pienenemisestä; monet uhanalaiset lajit kokevat populaatioidensa pienenemisen tuhansien tai jopa kymmenien tuhansien vuosien aikana, ja tämä näkyy genomitason moninaisuudessa.”
”n itse asiassa soluissamme ei ole vain yhtä genomia, vaan kaksi, yksi kummaltakin vanhemmalta, eivätkä ne ole identtisiä; mitä suurempi populaatio, sitä todennäköisemmin molemmat kromosomikopiot eroavat toisistaan”, professori Lalueza-Fox tarkensi sähköpostitse.
”Voimme genomiikan avulla testata muiden sukupuuttoprosessien dynamiikkaa ja päätellä, ovatko ne kokonaan ihmisen aiheuttamia, koska pitkäaikaiset demografiset taantumat jättävät erityisiä signaaleja lajien genomeihin”, professori Lalueza-Fox selitti sähköpostitse. ”Pienten populaatiokokojen merkkien puuttuminen pitkältä ajalta viittaa siihen, että sen sukupuutto oli äkillinen prosessi, ja tämä tekee todennäköisemmäksi, että se oli ihmisen aiheuttama.”
Muut argumentit siitä, mikä saattoi aiheuttaa karoliinipapukaijan sukupuuton, erityisesti siipikarjaa sairastavat taudit, edellyttävät metagenomista seulontaa ainakin useista uusista yksilöistä, jotta kysymykseen voidaan vastata. Espinelven karoliinipapukaijanäytteen genomin alustavat seulonnat eivät kuitenkaan paljastaneet merkittävää lintuvirusten esiintymistä. Ajatus siitä, että siipikarjataudit hävittivät karoliinipapukaijan, on siis ammuttu alas ja vakavasti haavoittunut.
Lisäbonuksena professori Lalueza-Fox, professori Gilbert ja heidän yhteistyökumppaninsa löysivät myös molekulaarisia todisteita, jotka viittaavat siihen, miten karoliinipapukaija saattoi syödä tappavia kukkoilukärpäsiä rankaisematta. Tässä vaiheessa viimeisen todisteen tälle löydölle voivat tarjota mitokondrioiden SLC25A4- ja SLC25A5-geeneissä havaittujen kahden geneettisen muunnoksen toiminnalliset testit lintujen solulinjojen avulla. Näitä tutkimuksia ei kuitenkaan ole vielä suunnitteilla.
”Sammuneilla lajeilla on vielä paljon opittavaa meille niiden kiehtovasta evoluutiohistoriasta ja erityisistä sopeutumisista”, professori Lalueza-Fox totesi sähköpostitse. ”Nyt kun on suunnattu kunnianhimoisia hankkeita elävän maailman genomien sekvensoimiseksi, mielestäni on eräänlainen moraalinen velvollisuus palauttaa tämä tieto kehittyvään elämän geneettiseen puuhun.”
Lähde:
Pere Gelabert, Marcela Sandoval-Velasco, Aitor Serres, Marc de Manuel, Pere Renom, Ashot Margaryan, Josefin Stiller, Toni de-Dios, Qi Fang, Shaohong Feng, Santi Mañosa, George Pacheco, Manuel Ferrando-Bernal, Guolin Shi, Fei Hao, Xianqing Chen, Bent Petersen, Remi-André Olsen, Arcadi Navarro, Yuan Deng, Love Dalén, Tomàs Marquès-Bonet, Guojie Zhang, Agostinho Antunes, M. Thomas P. Gilbert ja Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, julkaistu verkossa 11.12.2019 ennen painosta | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Seuraa minua Twitterissä tai LinkedInissä. Tutustu verkkosivustooni.