A genomikai elemzés kimutatta, hogy a karolinapapagáj hirtelen és hirtelen tűnt el, anélkül, hogy a populáció fogyatkozásához kapcsolódó genetikai jeleket találtak volna, és így a faj kihalása kizárólag az embernek tulajdonítható
alfaj (Conuropsis carolinensis carolinensis) volt a DNS forrása a vizsgálathoz. (Hitel: Marc Durà. A kép Carles Lalueza-Fox / Institute of Evolutionary Biology jóvoltából)
Marc Durà / Institute of Evolutionary Biology
Előtte 100 évvel ezelőttig, amikor az utolsó példánya fogságban, a Cincinnati Állatkertben elpusztult, Észak-Amerikának saját endemikus papagájfajtája volt: a kvintesszenciális karolinapapagáj, a Conuropsis carolinensis. A karolinapapagájnak volt a legészakibb elterjedési területe a modern papagájfajok közül: a becslések szerint elterjedési területe Kelet-Coloradótól az Atlanti-óceánig, New York állam déli felétől egészen a Mexikói-öbölig terjedt (hivatkozás; térkép).
a kihalt karolinapapagáj (Conuropsis carolinensis) alfaja: C. c. ludovicianus (kék) és C. c. carolinensis (zöld), az átfedési területek világoskékkel jelölve. Az erős piros körvonal a Hasbrouck (1891) által rajzolt térképen szereplő elterjedési terület határa. (doi:10.1002/ece3.3135)
doi:10.1002/ece3.3135
Ez a kis, karcsú testű neotrópusi papagáj smaragdzöld volt, élénksárga fejjel és nyakkal, vöröses-narancsos arccal és halvány szarvszínű csőrrel, valamint hosszú, hegyes farokkal. Az Egyesült Államok középső területein belföldön élő alfaját a zöld tollazatát átható kék árnyalat alapján lehetett megkülönböztetni tengerparti rokonától.
A karolinapapagáj merész és társaságkedvelő volt, és gyakran látták több száz egyedet számláló fergeteges csapatokban repkedni az alföldi öreg erdőkben, az erdőszéleken és a folyók körül kialakult lápréteken. Sajnos ezek a lármás papagájok a nemrégiben érkezett európai telepesek pusztító hajlamainak középpontjába kerültek, akik városok és farmok építése érdekében lerombolták az élőhelyüket, és kíméletlenül üldözték őket, megtorlásul azért, mert gyümölcs- és gabonafélékből ettek, valamint azért, hogy tollukat összegyűjtsék a divatos női kalapok díszítésére, és akik még le is lőtték őket az égből, egyszerűen azért a perverz örömért, hogy megöljenek valami vadat, élőt és szépet.
Tragikus módon csak nagyon kevés földműves és természettudós fordított elég figyelmet e papagájok szokásaira ahhoz, hogy megtudja, hogy ezek a madarak a kakaslábfű (Xanthium strumarium) iránti vonzalmuk miatt egyedülállóan hasznosak. A kakaslábfű egy széles körben elterjedt növény, amely különösen a májat mérgező mérget termel, de a karolinapapagájok voltak az egyetlen ismert fajok, amelyek ezt a növényt vagy annak magvait megették anélkül, hogy bármilyen károsodást szenvedtek volna. Audubon szerint nyilvánvalóan ez a kakaslábfű táplálkozás tette mérgezővé a karolinapapagáj húsát.
Meglepő, hogy élőhelyének széles körű pusztulása, valamint e papagájok kiterjedt mészárlása ellenére az emberek még mindig vitatkoznak arról, hogy mi vezette végül a karolinapapagájt a kihalásba. Vajon a behurcolt invazív méhek miatt, amelyek ellopták a papagájok fészkelőhelyeit? Vagy talán valami rejtélyes, meg nem nevezett baromfibetegség irtotta ki őket? Vagy talán a (szerény) kisállat-kereskedelem volt a hibás? Néhány évvel ezelőtt néhány hatóság nemrégiben azt állította, hogy a karolinapapagáj kihalása ezeknek és talán még számos más tényezőnek a kombinációjára vezethető vissza (hivatkozás; bővebben itt olvashat).
De egy európai tudóscsoport új, DNS-alapú tanulmánya (hivatkozás) úgy tűnik, végre felfedte a füstölgő pisztolyt a karolinapapagáj tragikus történetében. Ez a csapat szekvenálta a karolinapapagáj genomját, amelyet egy olyan példányból nyertek, amelyet eredetileg Marià Masferrer (1856-1923) katalán természettudós gyűjtött, és amelyet ma a leszármazottai őriznek egy magángyűjteményben a katalán Espinelves településen. E papagáj genomjának elemzése után a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a karolinapapagáj hirtelen és hirtelen tűnt el – ami összhangban van azokkal a beszámolókkal, amelyek olyan emberekről szólnak, akik rögeszméjükké tették e színes madarak lelövését.
Először szekvenálták a kihalt karolinapapagáj és a veszélyeztetett nappapagáj teljes genomját
Ez a projekt azután indult el, hogy Pere Renom, az Evolúcióbiológiai Intézet (IBE) doktorandusza, a Pompeu Fabra Egyetem és a Spanyol Nemzeti Kutatási Tanács közös intézete, valamint a népszerű katalán tudományos műsor, a “Quèquicom” tudományos riportere, felfedezte, hogy a kihalt karolinapapagáj egy példányát egy katalán magángyűjteményben őrzik. Meggyőződése lett, hogy az ősi DNS visszanyerésének folyamata ebből a példányból, azzal a lehetséges céllal, hogy ezt a DNS-t a “kihalás megszüntetésére” használják fel, lenyűgöző nézettséget biztosítana a közszolgálati televízióban. (Renom úrnak igaza volt: ez az epizód, a “Desextinció: reviure una espècie” nemrég elnyerte a spanyol Prisma-díjat, mint a 2019-es év legjobb tudományos ismeretterjesztő videója. Még ha nem is beszél spanyolul, mindenképpen érdemes megnézni.)
“Renom megkeresett, hogy érdekelne-e, ha megpróbálnék DNS-t kinyerni a példányból” – mondta Carles Lalueza-Fox paleogenetikus, az IBE kutatója, az ősi DNS visszanyerésének és elemzésének szakértője.”
Ez elindította az ősi DNS-szakértők tudományos “álomcsapatát”, amely együttműködött az ikonikus papagáj tanulmányozásában. Lalueza-Fox professzorhoz csatlakozott M. Thomas P. Gilbert evolúcióbiológus és paleogenetikus, a Koppenhágai Egyetem tekintélyes Geogenetikai Központjának professzora, amely az ősi DNS kutatásában világelső. Lalueza-Fox professzor és Gilbert professzor összeállított egy munkatársakból álló csapatot, hogy segítsen helyreállítani és rekonstruálni a kihalt karolinapapagáj első teljes genomját, elemezni ezeket az adatokat a faj evolúciós történetének vizsgálata és a kihalás lehetséges okának azonosítása érdekében.
Pere Renom (balra) és Carles Lalueza-Fox genetikus (jobbra) egy kihalt karolinapapagáj (Conuropsis carolinensis) szövetmintájának gyűjtésére készül. A fehér “űrruhák” segítenek elkerülni a minta emberi DNS-sel való szennyeződését. (Hitel: Marc Durà. A kép Carles Lalueza-Fox / Institute of Evolutionary Biology jóvoltából)
Marc Durà / Institute of Evolutionary Biology
Mivel a mumifikálódott szövetek rossz forrásai az ősi DNS-nek, a csapat megröntgenezte az Espinelves-mintát, hogy lássák, hogyan készítették elő, és hogy azonosítsák azokat a csontokat, amelyekből használható mintát nyerhetnek. A röntgenfelvételekből kiderült, hogy a példánynak nagyon kevés csontja volt – de szerencsére megmaradt a bal lábszárcsontja (combcsont). Egy kis csontfúrót használtak, hogy a combcsontból porrá őrölt csontszövetből egy apró mintát vegyenek, és a lábujjpárnából is gyűjtöttek egy kis szövetmintát.
Ezzel egy időben genomi DNS-t nyertek egy fogságban nevelt nőstény nappapagáj, az Aratinga solstitialis vérmintájából, amely közeli genetikai rokon. Korábban már kimutatták, hogy a karolinapapagáj és a nappapagáj körülbelül 3 millió évvel ezelőtt közös ősük volt, és mindkét fajnak körülbelül 1000 génje van. Így a nappapagáj és a karolinapapagáj genomja nagyon hasonló, ezért a nappapagáj genomja szolgált referenciaként az Espinelves karolinapapapagáj példányból nyert ősi DNS-töredékek számítógépes feltérképezéséhez. Összesen több mint 1100 millió bázispárt – valamivel több mint egy gigabájtot – nyertek vissza az Espinelves-mintából, és állították össze újra.
mint nappapagáj (Aratinga solstitialis), a kihalt karolinapapagáj (Conuropsis carolinensis) közeli rokona. (Credit: Shankar S. / CC BY 2.0)
Shankar S. Creative Commons licenccel
A karolinapapagáj evolúcióját földrajzi események befolyásolták
Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik az újra összeállított karolinapapapagáj nukleáris genomjának egyes részeit használták fel a 17 ma élő papagájfajjal való evolúciós kapcsolatainak becslésére (1. ábra). Egy nagyobb számú papagájfaj teljes mitokondriális genomjának adataiból becsült génfa hasonló eredményeket adott.
a BEAST2-vel felépített karolinapapagáj 18 papagájfajtól és egy gólyapapagájtól származó 50 nukleáris UCE-loci alapján (vastag betűvel; közös nevek). (Pere Gelabert / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
A nukleáris genomszekvencia-adatok molekuláris óraelemzése arra utal, hogy az Aratinga-Conuropsis szétválás körülbelül 2,8 millió évvel ezelőtt (mya) történt, és az mtDNS-adatok ezt a szétválást körülbelül 3,8 mya-ra becsülték. Mindkét időpont nagyjából egybeesik a Panamai földszoros becsült végleges bezáródásával, amely széles körben elfogadottan 3 mya-re tehető (ref). Így valószínűnek tűnik, hogy a karolinapapagáj őseinek Észak-Amerikába való szétszóródása az észak- és dél-amerikai szárazföldek egyesülése után történt.
A DNS-elemzés kevés bizonyítékot mutat a beltenyésztésre
A genomikai elemzés kimutatta, hogy a karolinapapagáj a középső pleisztocén idején populációnagyságának növekedését tapasztalta, amelyet az utolsó jégkorszak idején (amely körülbelül 110 000 évvel ezelőtt kezdődött és körülbelül 15 000 évvel ezelőtt ért véget) kezdődő populációingadozás, majd az ezt követő, egészen a legutóbbi időkig tartó populációcsökkenés követett. Ezzel szemben a veszélyeztetett napópapagáj erősebb, folyamatos populációcsökkenést és hosszabb ideig tartó alacsonyabb effektív populációméretet mutatott, mint a karolinapapagáj.
Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik ezután a genom teljes heterozigozitását és a hosszú homozigozitás-sorozatok (RoH) eloszlását profilozták mind a karolinapapapagáj, mind a napópapagáj esetében. Ezek a mérések bepillantást engednek e papagájok demográfiai történetének természetébe. A heterozigozitás az általános genetikai diverzitás mérőszáma, míg a RoH-k akkor fordulnak elő, amikor azonos kromoszómafragmentumok öröklődnek egy közelmúltbeli közös őstől. A jelentősen csökkent heterozigozitás olyan populációkra jellemző, amelyek hosszú ideig kicsik és elszigeteltek voltak, míg a magas RoH-értékek általában a beltenyésztett populációkban figyelhetők meg (ref). Így mindkét mérték csökkenése megfigyelhető a veszélyeztetett fajok genomjában.
különböző rendszertani rendek, kivéve a Conuropsis carolinensis és az Aratinga solstitialis, amelyek mindketten Psittaciformes. A mintákat az IUCN természetvédelmi státusz szerint színeztük. (Credit: Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik megállapították, hogy a kihalt karolinapapagáj ugyanolyan genetikai változatossággal rendelkezett, mint sok ma élő, az IUCN által a “legkevésbé aggályos” kategóriába sorolt madár (3. ábra). Ehhez képest a veszélyeztetett nappapagáj sokkal alacsonyabb heterozigozitási szinttel rendelkezett – ami abból adódhatott, hogy fogságban tenyésztett madárról van szó. (A nappapagájt spanyol madarászok évek óta fogságban tenyésztik.)
Az Espinelves Carolina papagáj példányának 188 RoH-ja volt, amelyek közül kilenc több mint 1 000 000 bázispár (1Mb) hosszú volt – bár összehasonlításképpen a fogságban tenyésztett nappapagájnak 611 RoH-ja volt, és ezek közül 85 volt hosszabb, mint 1Mb. Ennek ellenére az egyik karolinapapagáj RoH különösen feltűnő volt, mivel 7,15 Mb-nál hosszabb volt, ami arra utal, hogy az Espinelves példány ősei között nemrégiben beltenyésztés volt (bár a hosszú RoH-nak más okai is lehetnek). Emiatt lehetséges, hogy az Espinelves-karolinapapagáj példányát fogságban tenyésztették.
A karolinapapagájok alkalmazkodtak a mérgező kakaslábúak fogyasztásához
Tudom, hogy mindannyian erre vártatok: a választ arra a kérdésre, hogyan tudott a karolinapapagáj mérgező kakaslábúakat enni anélkül, hogy holtan esett volna össze.
Bár a karolinapapagáj sokféle gyümölcsöt és magot, valamint néhány virágot és bimbót fogyasztott, úgy tűnik, előszeretettel fogyasztotta a kakaslábúakat. Például a karolinapapagájok 99 táplálkozási megfigyelésének gyűjteménye azt mutatta, hogy a legnagyobb megfigyelt növényfogyasztás (N = 17) a kakaslábfű volt (ref).
A kakaslábfű egy rendkívül mérgező diterpén glikozidot, karboxi-atractilozidot vagy “CAT”-t tartalmaz, amely specifikusan gátolja a négy mitokondriális transzporter, az ADP/ATP-transzlokáz (ANT1, ANT2, ANT3 és ANT4; az SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6, illetve SLC25A31 által kódolt) bármelyikét, amelyek alapvető szerepet játszanak a sejtek energiatermelésében. Annak megállapítására, hogy a négy mitokondriális transzporter valamelyikének vagy mindegyikének vannak-e olyan molekuláris változásai, amelyek megakadályozzák a CAT kötődését és ezáltal gátolják őket, Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik tovább vizsgálták ezeket a géneket, összehasonlítva szekvenciáikat más fajok azonos génjeinek (ortológjainak) szekvenciáival (4. ábra).
A mitokondrium külső és belső membránjának ábrázolása (nagyítás B-re). (B) A szarvasmarha ANT fehérje röntgenkrisztallográfiai szerkezetének karikatúrája (az ATP és ADP + Pi áramlását gátló CAT által okozott gátlás hozzávetőleges helye). (C) A Conuropsis SLC25A4 háromdimenziós modellezett szerkezete, az SLC25A4 változó pozíciói sárgával és az SLC25A5 világos narancssárgával (mindkét modellezett fehérjeszerkezet meglehetősen hasonló – ezért az egyszerűsítés érdekében csak az egyiket ábrázoltuk). A fehérje piros régiója a zsebnek felel meg. (D) A Conuropsis SLC25A4 3D-s modellezett szerkezetének belső nézete (a pozíciók a C-ben leírtak szerint vannak jelölve). (E) Az SLC25A4 A122V pozíciója körüli aminosavak szekvenciális ábrázolása a Conuropsisban (összehasonlítás alulról lefelé: ember; tehén; egér; oposszum; C. carolinensis; A. solstitialis; csirke; anola; piton; zöld teknős; és krokodil) és a zsebhelyek feltüntetése (piros színnel) az ábrázolt fehérjeszegmensben. (Credit: Pere Gelabert et al. doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik megállapították, hogy a karolinapapagáj négy mitokondriális transzporter génje közül kettőnek két aminosavváltozása van a nappapagáj ugyanezen génjeihez képest. Ez a két hely valószínűleg mindkét fehérje működését befolyásolja. Ezért úgy tűnik, hogy ezek a mutációk egyedi mechanizmust biztosítottak a karolinapapagáj táplálékában jelen lévő toxikus CAT kezelésére.
A füstölgő pisztoly
Két évvel később az ősi DNS “álomcsapat” bejelentette, hogy két közeli rokon neotrópusi papagáj teljes genomjának szekvenálása és elemzése eredményeként felfedezték a füstölgő pisztolyt a karolinapapagáj kihalásának tragédiájában.
Először is, a karolinapapagáj genomjának elemzése alapján olyan szintű genetikai diverzitást találtak, amely összehasonlítható más, nem veszélyeztetett, ma élő madárpopulációkkal. Ez arra utal, hogy ezek az ikonikus papagájok “olyan hirtelen kihalási folyamatot éltek át, amely nem hagyott nyomot a papagáj genomjában.”
“Nem egy konkrét okra mutatunk rá” – figyelmeztetett Lalueza-Fox professzor e-mailben – “hanem arra, hogy a genomjukban nincsenek jelei hosszú távú demográfiai csökkenésnek; sok veszélyeztetett fajnál több ezer vagy akár tízezer év alatt csökken a populáció, és ez genomikai szinten a diverzitásában is megmutatkozik”.
“n tény, hogy nem csak egy genom van a sejtjeinkben, hanem kettő, egy-egy szülőktől származó, és ezek nem azonosak; minél nagyobb a populáció, annál valószínűbb, hogy mindkét kromoszómakópia különböző” – részletezte Lalueza-Fox professzor e-mailben.
“A genomika segítségével tesztelhetjük más kihalási folyamatok dinamikáját, és következtethetünk arra, hogy azokat teljes mértékben az ember okozta-e, mivel a hosszú távú demográfiai csökkenés specifikus jeleket hagy a fajok genomjában” – magyarázta Lalueza-Fox professzor e-mailben. “A hosszú ideig tartó kis populációméretre utaló jelek hiánya arra utal, hogy a kihalása hirtelen folyamat volt, és ez valószínűbbé teszi, hogy az ember okozta.”
Az egyéb érvek, amelyek arra utalnak, hogy mi okozhatta a karolinapapagáj kihalását, különösen a baromfibetegségek, legalább több további példány metagenomikai szűrését teszik szükségessé a kérdés megválaszolásához. Az Espinelves karolinapapagáj példány genomjának előzetes szűrései azonban nem mutatták ki a madárvírusok jelentős jelenlétét. Így azt az elképzelést, hogy a baromfibetegségek kiirtották a karolinapapagájt, lelőtték és súlyosan megsebezték.”
Egy további bónuszként Lalueza-Fox professzor, Gilbert professzor és munkatársaik molekuláris bizonyítékot találtak arra is, hogy a karolinapapagáj hogyan tudta büntetlenül megenni a halálos kakastaréjt. Ezen a ponton a felfedezés utolsó bizonyítékát a mitokondriális SLC25A4 és SLC25A5 génekben kimutatott két genetikai variáns madársejtvonalakon végzett funkcionális tesztjei szolgáltathatják. Ezeket a vizsgálatokat azonban még nem tervezik.”
“A kihalt fajok még sok tanulsággal szolgálhatnak számunkra lenyűgöző evolúciós történetükről és sajátos alkalmazkodásukról” – zárta e-mailben Lalueza-Fox professzor. “Most, hogy ambiciózus projektek irányulnak az élővilág genomjainak szekvenálására, úgy gondolom, hogy egyfajta erkölcsi kötelességünk visszaadni ezeket az információkat az élet kialakulóban lévő genetikai fájának.
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 és Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, online megjelent: 11 December 2019 ahead of print | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Kövessen a Twitteren vagy a LinkedInen. Nézze meg a weboldalamat.