DNA Study Points To Humans As Cause of Carolina Parakeet Extinction

A genomic analysis reveals that the Carolina parakeet disappeared suddenly and abruptly, without any genetic signatures associated with a dwindling population, a zatem wyginięcie tego gatunku przypisuje się wyłącznie ludziom

Do 100 lat temu, kiedy ostatni osobnik tego gatunku zmarł w niewoli w zoo w Cincinnati, Ameryka Północna była domem dla własnego endemicznego gatunku papugi: kwintesencji papużki karolińskiej, Conuropsis carolinensis. Carolina papużki miał najbardziej na północ dystrybucji jakiegokolwiek współczesnego gatunku papugi: jego zasięg został oszacowany na rozciągają się od wschodniego Kolorado do Oceanu Atlantyckiego, a od południowej połowy stanu Nowy Jork aż do Zatoki Meksykańskiej (ref; mapa).

Ta mała smukła-cielesna neotropikalna papuga była szmaragdowozielona z jaskrawożółtą głową i szyją, czerwonopomarańczową twarzą i bladym rogowym dziobem, i miała długi, spiczasty ogon. Podgatunek, który żył w głębi lądu w całej środkowej części Stanów Zjednoczonych można wizualnie odróżnić od jego bardziej przybrzeżnych kuzyna przez niebieski odcień, który nasycił jego zielony plumage.

The Carolina papużki był śmiały i gregarious i często zauważono latające wokół w wybujałych stadach liczących setki osobników w nizinnych lasów starego wzrostu, krawędzi lasu i canebreaks, które powstały wokół rzek. Niestety, te zadziorne papugi stały się obiektem niszczycielskich zapędów niedawno przybyłych europejskich osadników, którzy zrównali z ziemią ich siedliska, by budować miasta i farmy, prześladowali je bezlitośnie w odwecie za zjadanie owoców i zbóż, a także za zbieranie ich piór do ozdabiania modnych damskich kapeluszy, a nawet strzelali do nich z nieba tylko dla perwersyjnej przyjemności zabijania czegoś dzikiego, żywego i pięknego.

Tragicznie, tylko bardzo niewielu rolników i przyrodników kiedykolwiek zapłacił wystarczająco dużo uwagi do tych zwyczajów papug, aby wiedzieć, że te ptaki były wyjątkowo korzystne ze względu na ich zamiłowanie do cocklebur, Xanthium strumarium. Chrabąszcz jest szeroko rozpowszechnioną rośliną wytwarzającą truciznę, która jest szczególnie toksyczna dla wątroby, ale papużki karolińskie były jedynym znanym gatunkiem, który jadł tę roślinę lub jej nasiona bez żadnych skutków ubocznych. Ta dieta cockleburs najwyraźniej uczynił Carolina papużki ciało trujące, według Audubon.

Zaskakująco, pomimo powszechnego zniszczenia jego siedliska, jak również rozległe uboju tych papug, ludzie wciąż spierają się o to, co ostatecznie doprowadziło Carolina papużki na wyginięcie. Czy to z powodu importowanych inwazyjnych pszczół kradnących papugom gniazda? A może zniszczyła je jakaś tajemnicza, nienazwana choroba drobiu? A może winny był (skromny) handel zwierzętami domowymi? Kilka lat temu, niektóre władze niedawno twierdził, Carolina papużki wyginięcie było ze względu na połączenie tych, a może kilka innych czynników (ref; czytaj więcej tutaj).

Ale nowe badania oparte na DNA (ref) przez europejski zespół naukowców wydaje się w końcu odkrył palący pistolet w Carolina papużki tragicznej historii. Zespół ten zsekwencjonował genom papużki karolińskiej uzyskany z okazu, który został pierwotnie zebrany przez katalońskiego przyrodnika Marię Masferrera (1856-1923) i jest obecnie przechowywany przez jego potomków w prywatnej kolekcji w katalońskiej gminie Espinelves. Po przeanalizowaniu genomu tej papugi, naukowcy doszli do wniosku, że papużka karolińska zniknęła nagle i gwałtownie – co jest zgodne z doniesieniami o ludziach, którzy za swoją obsesję uznali zastrzelenie tych kolorowych ptaków.

Pierwsze zsekwencjonowane całe genomy z wymarłej papużki Carolina i zagrożonej papużki słonecznej

Projekt ten rozpoczął się po tym, jak Pere Renom, który był doktorantem w Instytucie Biologii Ewolucyjnej (IBE), Wspólny instytut Uniwersytetu Pompeu Fabra i hiszpańskiej Narodowej Rady Badań Naukowych, a także reporter naukowy związany z popularnym katalońskim programem naukowym „Quèquicom”, odkrył, że istnieje jeden okaz wymarłego Carolina papużki przechowywane w prywatnej kolekcji w Katalonii. Stał się przekonany, że proces odzyskiwania starożytnego DNA z tego okazu, z potencjalnym celem wykorzystania tego DNA do „de-ekstynkcji”, będzie stanowił atrakcyjny materiał dla telewizji publicznej. (Pan Renom miał rację: ten odcinek, „Desextinció: reviure una espècie”, został niedawno nagrodzony hiszpańską nagrodą Prisma jako najlepszy film o rozpowszechnianiu nauki w 2019 roku. Nawet jeśli nie mówisz po hiszpańsku, zdecydowanie warto go obejrzeć.)

„Renom skontaktował się ze mną, pytając, czy byłbym zainteresowany próbą odzyskania DNA z okazu”, powiedział paleogenetyk Carles Lalueza-Fox, naukowiec z IBE i autorytet w zakresie odzyskiwania i analizy starożytnego DNA.

To uruchomiło naukowy „zespół marzeń” starożytnych ekspertów DNA, którzy współpracowali, aby zbadać tę ikoniczną papugę. Do profesora Lalueza-Foxa dołączył biolog ewolucyjny i paleogenetyk M. Thomas P. Gilbert, profesor prestiżowego Centrum Geogenetyki Uniwersytetu w Kopenhadze, który jest światowym liderem w badaniach starożytnego DNA. Profesor Lalueza-Fox i profesor Gilbert zebrali zespół współpracowników, aby pomóc odzyskać i zrekonstruować pierwszy kompletny genom wymarłej papużki Carolina, przeanalizować te dane w celu zbadania historii ewolucyjnej gatunku i zidentyfikować potencjalną przyczynę jego wyginięcia.

Ponieważ zmumifikowana tkanka jest słabym źródłem starożytnego DNA, zespół prześwietlił okaz Espinelvesa, by zobaczyć, jak został przygotowany i zidentyfikować kości, z których mogliby uzyskać użyteczną próbkę. Zdjęcia rentgenowskie ujawniły, że okaz miał bardzo mało kości – ale na szczęście miał jeszcze kość lewej nogi (kość udową). Użyli małego wiertła do kości, aby zebrać maleńką próbkę sproszkowanej tkanki kostnej z kości udowej, a także zebrali małą próbkę tkanki z opuszki palca.

W tym samym czasie, genomowe DNA uzyskano z próbki krwi od hodowanej w niewoli samicy papużki nierozłączki, Aratinga solstitialis, która jest bliskim krewnym genetycznym. Wcześniej wykazano, że papużki karolińskie i papużki nierozłączki miały wspólnego przodka około 3 milionów lat temu, a oba gatunki mają po około 1000 genów. Tak więc genomy papużek słonecznych i papużek Carolina są bardzo podobne, więc genom papużek słonecznych posłużył jako odniesienie do komputerowego mapowania starożytnych fragmentów DNA uzyskanych z okazu papużek Carolina Espinelves. W sumie ponad 1100 milionów par zasad – nieco więcej niż jeden gigabajt – zostało odzyskanych z okazu Espinelves i ponownie złożonych.

Na ewolucję papużki karolińskiej miały wpływ wydarzenia geograficzne

Profesor Lalueza-Fox, profesor Gilbert i ich współpracownicy wykorzystali fragmenty ponownie złożonego genomu jądrowego papużki karolińskiej do oszacowania jej relacji ewolucyjnych z 17 wymarłymi gatunkami papug (Ryc. 1). Drzewo genealogiczne oszacowane na podstawie kompletnych danych genomu mitochondrialnego z większej liczby gatunków papug dało podobne wyniki.

Analiza zegara molekularnego danych sekwencji genomu jądrowego sugeruje, że podział Aratinga-Conuropsis nastąpił około 2,8 miliona lat temu (mya), a dane mtDNA oszacowały ten podział na około 3,8 mya. Obie daty z grubsza pokrywają się z szacowanym ostatecznym zamknięciem Przesmyku Panamskiego, które powszechnie przyjmuje się jako mające miejsce 3 mln lat temu (ref). Tak więc wydaje się prawdopodobne, że dyspersja przodków papużki karolińskiej do Ameryki Północnej nastąpiła po połączeniu lądów Ameryki Północnej i Południowej.

Analiza DNA ujawnia skąpe dowody chowu wsobnego

Analiza genomowa ujawniła, że papużka karolińska doświadczyła wzrostu wielkości populacji podczas środkowego plejstocenu, a następnie wahań populacji, które rozpoczęły się podczas ostatniego okresu lodowcowego (który rozpoczął się około 110 000 lat temu i zakończył się około 15 000 lat temu), a następnie spadku populacji, który trwał do ostatnich czasów. W przeciwieństwie do tego, zagrożona papużka nierozłączka wykazała silniejszy, ciągły spadek populacji i dłuższy okres niższej efektywnej wielkości populacji niż papużka Carolina.

Profesor Lalueza-Fox, Profesor Gilbert i ich współpracownicy następnie profilowali ogólną heterozygotyczność w całym genomie i rozkład długich przebiegów homozygotyczności (RoHs) zarówno dla papużek Carolina i papużek nierozłączek. Miary te dają wgląd w naturę historii demograficznych tych papug. Heterozygotyczność jest miarą ogólnej różnorodności genetycznej, podczas gdy RoHs występują, gdy identyczne fragmenty chromosomalne są dziedziczone od niedawnego wspólnego przodka. Znacznie obniżona heterozygotyczność jest typowa dla populacji, które były małe i izolowane przez długi czas, podczas gdy podwyższone RoH są zwykle obserwowane w populacjach wsobnych (ref). Tak więc, redukcje w obu miarach mogą być widoczne w genomach zagrożonych gatunków.

Profesor Lalueza-Fox, profesor Gilbert i ich współpracownicy odkryli, że wymarła papużka karolińska miała tak dużą różnorodność genetyczną, jak wiele żyjących obecnie ptaków, które są klasyfikowane przez IUCN jako „najmniejszej troski” (rysunek 3). Dla porównania, zagrożona papużka nierozłączka miała znacznie niższy poziom heterozygotyczności – co mogło wynikać z tego, że była ptakiem hodowanym w niewoli. (The słońce papużki został captive-bred przez hiszpański aviculturists dla wielu lat.)

The Espinelves Carolina okaz papużki miał 188 RoHs, dziewięć z nich było więcej niż 1,000,000 basepairs (1Mb) długo – chociaż w porównaniu, captive-bred słońce papużki miał 611 RoHs i 85 z nich były dłuższe niż 1Mb. To powiedziawszy, jeden Carolina papużka RoH był szczególnie uderzające, ponieważ był dłuższy niż 7,15 Mb, co sugeruje, że może być niedawny chów wsobny w przodków okazu Espinelves (chociaż istnieją inne powody dla długiego RoH, zbyt). Z tego powodu możliwe jest, że okaz papużki Espinelves Carolina mógł być hodowany w niewoli.

Papużki Carolina były przystosowane do jedzenia trujących chrabąszczy

Wiem, że to jest to, na co wszyscy siedzieliście na krawędzi swoich siedzeń czekając: odpowiedź na pytanie, jak papużka Carolina mogła jeść trujące chrabąszcze bez padania trupem.

Although Carolina papużki spożywane różne owoce i nasiona, jak również niektóre kwiaty i pąki, to najwyraźniej miał zamiłowanie do cockleburs. Na przykład, zbiór 99 obserwacji karmienia papużek Carolina wykazał, że najwyższym obserwowanym spożyciem roślin (N = 17) były chrabąszcze (ref).

Chrabąszcze zawierają wysoce toksyczny glikozyd diterpenowy, karboksyatraktylozyd lub „CAT”, który specyficznie hamuje jeden z czterech mitochondrialnych transporterów, ADP/ATP translokazy (ANT1, ANT2, ANT3 i ANT4; kodowane przez SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 i SLC25A31, odpowiednio), które odgrywają podstawową rolę w produkcji energii komórkowej. Aby ustalić, czy którykolwiek lub wszystkie z czterech mitochondrialnych transporterów miały zmiany molekularne, które uniemożliwiały wiązanie CAT i tym samym ich hamowanie, profesor Lalueza-Fox, profesor Gilbert i ich współpracownicy badali te geny dalej, porównując ich sekwencje z sekwencjami tych samych genów u innych gatunków (ortologów) (rysunek 4).

Profesor Lalueza-Fox, profesor Gilbert i ich współpracownicy odkryli, że dwa z czterech genów transporterów mitochondrialnych z papużki karolińskiej mają dwie zmiany aminokwasowe w odniesieniu do tych samych genów u papużki słonecznej. Te dwa miejsca prawdopodobnie wpływaj± na funkcjonalno¶ć obu białek. Dlatego wydaje się, że te mutacje nadane unikalny mechanizm do czynienia z toksycznym CAT obecny w diecie papużki Carolina.

Dymiący pistolet

Dwa lata później, starożytny DNA „Dream Team” ogłosił, że w wyniku sekwencjonowania i analizy całego genomu dwóch blisko spokrewnionych neotropikalnych papug, odkryli dymiący pistolet w tragedii wymierania papużki karolińskiej.

Po pierwsze, na podstawie analizy genomu papużki Carolina, znaleźli poziom różnorodności genetycznej, który jest porównywalny do innych istniejących populacji ptaków, które nie są zagrożone. To wskazuje, że te ikoniczne papugi doświadczyły „gwałtownego procesu wymierania, który nie pozostawił żadnych śladów w genomie papużki”.

„Nie wskazujemy na konkretną przyczynę”, ostrzegł profesor Lalueza-Fox w e-mailu, „ale na fakt, że nie ma oznak długotrwałych spadków demograficznych w ich genomie; wiele zagrożonych gatunków doświadcza redukcji populacji w ciągu tysięcy, a nawet dziesiątek tysięcy lat i można to zobaczyć na poziomie genomicznym w jego różnorodności.”

„n fact we don’t have just one genome in our cells, but two, one from each parent, and they are not identical; the larger the population, the more likely both chromosomal copies are different,” Professor Lalueza-Fox elaborated in email.

„Możemy używać genomiki do testowania dynamiki innych procesów wymierania i wnioskować, czy są one całkowicie spowodowane przez ludzi, ponieważ długoterminowe spadki demograficzne pozostawiają specyficzne sygnały w genomach gatunków”, wyjaśnił profesor Lalueza-Fox w e-mailu. „Brak oznak małych rozmiarów populacji przez długi okres czasu wskazuje, że jej wyginięcie było procesem nagłym, a to zwiększa prawdopodobieństwo, że było to spowodowane przez człowieka.”

Inne argumenty za tym, co mogło spowodować wyginięcie papużki karolińskiej, szczególnie choroby drobiu, będą wymagały metagenomicznych badań przesiewowych co najmniej kilku dodatkowych okazów, aby odpowiedzieć na to pytanie. Ale wstępne ekrany Espinelves Carolina papużki okazu genomu nie wykazały znaczącej obecności wirusów ptaków. Więc pomysł, że choroby drobiu wymazał Carolina papużki został zestrzelony i poważnie rannych.

Jako dodatkowy bonus, profesor Lalueza-Fox, profesor Gilbert i ich współpracownicy również znaleźć molekularne dowody sugerować, jak Carolina papużki może jeść śmiertelne cockleburs bezkarnie. W tym momencie ostatecznym dowodem na to odkrycie mogą być testy funkcjonalne dwóch wariantów genetycznych wykrytych w mitochondrialnych genach SLC25A4 i SLC25A5 przy użyciu ptasich linii komórkowych. Ale te badania nie są jeszcze planowane.

„Wymarłe gatunki wciąż mają wiele lekcji do nauczenia nas o ich fascynujących historiach ewolucyjnych i specyficznych adaptacjach”, podsumował profesor Lalueza-Fox w e-mailu. „Teraz, gdy istnieją ambitne projekty skierowane na sekwencjonowanie genomów świata żywego, myślę, że jest to rodzaj moralnego obowiązku, aby przywrócić te informacje do powstającego genetycznego drzewa życia.”

Źródło:

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 i Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, published online on 11 December 2019 ahead of print | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

Get the best of Forbes to your inbox with the latest insights from experts across the globe.

Follow me on Twitter or LinkedIn. Zajrzyj na moją stronę internetową.

Loading …