O analiză genomică arată că papagalul Carolina a dispărut brusc și brusc, fără nicio semnătură genetică asociată cu o populație în scădere, și, prin urmare, dispariția acestei specii este atribuită exclusiv oamenilor
subspecia (Conuropsis carolinensis carolinensis), a fost sursa ADN-ului pentru acest studiu. (Credit: Marc Durà. Pentru imagine, mulțumim Carles Lalueza-Fox / Institutul de Biologie Evolutivă)
Marc Durà / Institutul de Biologie Evolutivă
Până în urmă cu 100 de ani, când ultimul exemplar din specia sa a murit în captivitate la Grădina Zoologică din Cincinnati, America de Nord găzduia propria sa specie endemică de papagal: perușca Carolina prin excelență, Conuropsis carolinensis. Papagalul de Carolina avea cea mai nordică distribuție dintre toate speciile moderne de papagali: s-a estimat că aria sa de răspândire se întindea din estul Colorado până la Oceanul Atlantic și din jumătatea sudică a statului New York până în Golful Mexic (ref; hartă).
subspecie a dispărutului papagal de Carolina (Conuropsis carolinensis): C. c. ludovicianus (albastru) și C. c. carolinensis (verde), cu zonele de suprapunere a arealului în albastru deschis. Conturul roșu intens reprezintă limita ariei de răspândire de pe harta desenată de Hasbrouck (1891). (doi:10.1002/ece3.3135)
doi:10.1002/ece3.3135
Acest mic papagal neotropical cu corp subțire era de culoare verde smarald, cu capul și gâtul de un galben strălucitor, fața portocalie-roșiatică și un cioc de culoarea cornului palid, și avea o coadă lungă și ascuțită. Subspecia care trăia în interiorul continentului în toate porțiunile centrale ale Statelor Unite putea fi distinsă vizual de verișoara sa mai de coastă prin nuanța albastră care îi impregna penajul verde.
Papagalul de Carolina era îndrăzneț și gregar și era adesea văzut zburând în stoluri exuberante, numărând sute de indivizi, în pădurile bătrâne din zonele joase, la marginea pădurilor și în canioanele care apăreau în jurul râurilor. Din nefericire, acești papagali gălăgioși au devenit ținta tendințelor distructive ale coloniștilor europeni recent sosiți, care le-au ras habitatul pentru a construi orașe și ferme, i-au persecutat fără milă ca represalii pentru că mâncau din culturile de fructe și cereale, precum și pentru a le colecta penele pentru a decora pălăriile doamnelor la modă, și chiar i-au împușcat din cer pur și simplu pentru plăcerea perversă de a ucide ceva sălbatic, viu și frumos.
În mod tragic, doar foarte puțini fermieri și naturaliști au acordat vreodată suficientă atenție obiceiurilor acestor papagali pentru a ști că aceste păsări erau deosebit de benefice datorită predilecției lor pentru cocklebur, Xanthium strumarium. Cocklebur este o plantă foarte răspândită care produce o otravă deosebit de toxică pentru ficat, dar papagalii de Carolina erau singurele specii cunoscute care mâncau această plantă sau semințele sale fără a suferi niciun efect negativ. Această dietă cu cocostârci se pare că a făcut carnea perușilor de Carolina să fie otrăvitoare, potrivit lui Audubon.
În mod surprinzător, în ciuda distrugerii pe scară largă a habitatului său, precum și a sacrificării extinse a acestor papagali, oamenii încă se mai ceartă cu privire la ceea ce a dus în cele din urmă la dispariția perușilor de Carolina. Să se fi datorat albinelor invazive importate care au furat golurile cuiburilor papagalilor? Sau poate că o boală misterioasă și fără nume a păsărilor de curte i-a exterminat? Sau poate că de vină a fost comerțul (modest) cu animale de companie? În urmă cu câțiva ani, unele autorități au susținut recent că dispariția papagalului Carolina s-a datorat unei combinații a acestor factori și, poate, a câtorva alți factori (ref; citiți mai multe aici).
Dar un nou studiu bazat pe ADN (ref), realizat de o echipă europeană de oameni de știință, pare să fi descoperit, în sfârșit, arma fumegândă în povestea tragică a papagalului Carolina. Această echipă a secvențiat genomul papagalului Carolina obținut de la un specimen care a fost inițial colectat de naturalistul catalan Marià Masferrer (1856-1923) și care este acum deținut de descendenții săi într-o colecție privată din municipalitatea catalană Espinelves. După ce au analizat genomul acestui papagal, cercetătorii au ajuns la concluzia că papagalul Carolina a dispărut brusc și brusc – ceea ce este în concordanță cu relatările unor persoane care și-au făcut o obsesie din a împușca aceste păsări colorate pentru a le face să dispară.
Primul genom întreg secvențiat de la perușca Carolina, dispărută, și de la perușca soarelui, pe cale de dispariție
Acest proiect a început după ce Pere Renom, care era doctorand la Institutul de Biologie Evolutivă (IBE), un institut comun al Universității Pompeu Fabra și al Consiliului Național de Cercetare din Spania, și un reporter științific asociat cu popularul program științific catalan, „Quèquicom”, a descoperit că există un specimen de perușcă Carolina dispărută deținut într-o colecție privată din Catalonia. El a devenit convins că procesul de recuperare a ADN-ului străvechi de la acest specimen, cu scopul potențial de a folosi acest ADN pentru „de-extincție”, ar fi un subiect atractiv pentru televiziunea publică. (Domnul Renom a avut dreptate: acest episod, „Desextinció: reviure una espècie”, a primit recent premiul spaniol Prisma ca fiind cel mai bun videoclip de diseminare științifică din 2019. Chiar dacă nu vorbiți spaniola, cu siguranță merită vizionat.)
„Renom m-a contactat întrebându-mă dacă aș fi interesat să încerc să recuperez ADN-ul de pe specimen”, a declarat paleogeneticianul Carles Lalueza-Fox, cercetător științific la IBE și o autoritate în recuperarea și analiza ADN-ului antic.
Aceasta a lansat o echipă științifică „the Dream Team” de experți în ADN antic care au colaborat pentru a studia acest papagal iconic. Profesorului Lalueza-Fox i s-a alăturat biologul evoluționist și paleogeneticianul M. Thomas P. Gilbert, profesor la prestigiosul Centru de Geogenetică al Universității din Copenhaga, care este un lider mondial în cercetarea ADN-ului antic. Profesorul Lalueza-Fox și profesorul Gilbert au reunit o echipă de colaboratori pentru a ajuta la recuperarea și reconstrucția primului genom complet al perușorului Carolina dispărut, pentru a analiza aceste date în vederea investigării istoriei evolutive a speciei și pentru a identifica cauza potențială a dispariției sale.
Pere Renom (stânga) și geneticianul Carles Lalueza-Fox (dreapta) se pregătesc să preleveze o mostră de țesut de la o perușcă Carolina (Conuropsis carolinensis) dispărută. „Costumele spațiale” albe ajută la evitarea contaminării probei cu ADN uman. (Credit: Marc Durà. Pentru imagine, mulțumim Carles Lalueza-Fox / Institutul de Biologie Evolutivă)
Marc Durà / Institutul de Biologie Evolutivă
Pentru că țesutul mumificat este o sursă slabă de ADN străvechi, echipa a radiografiat specimenul Espinelves pentru a vedea cum a fost pregătit și pentru a identifica oasele de unde ar putea obține o mostră utilizabilă. Radiografiile au arătat că specimenul avea foarte puține oase – dar, din fericire, încă mai avea osul piciorului stâng (femur). Au folosit un burghiu mic pentru oase pentru a colecta o mostră mică de țesut osos sub formă de pulbere din femur și au colectat, de asemenea, o mostră mică de țesut de pe o pernuță de la un deget de la picior.
În același timp, ADN genomic a fost obținut dintr-o mostră de sânge de la o femelă de papagal de soare crescută în captivitate, Aratinga solstitialis, care este o rudă genetică apropiată. Se demonstrase anterior că perușii Carolina și perușii soarelui au avut un strămoș comun în urmă cu aproximativ 3 milioane de ani și că ambele specii au aproximativ 1.000 de gene fiecare. Astfel, genomul perușei soarelui și cel al perușei Carolina sunt foarte asemănătoare, astfel că genomul perușei soarelui a servit drept referință pentru cartografierea computerizată a fragmentelor de ADN vechi obținute de la specimenul de perușă Carolina Espinelves. În total, peste 1.100 de milioane de perechi de baze – puțin mai mult de un gigabyte – au fost recuperate din specimenul Espinelves și reasamblate.
ca și conura de soare (Aratinga solstitialis), o rudă apropiată a perușei de Carolina (Conuropsis carolinensis), care a dispărut. (Credit: Shankar S. / CC BY 2.0)
Shankar S. via o licență Creative Commons
Evoluția papagalului de Carolina a fost influențată de evenimente geografice
Profesorul Lalueza-Fox, profesorul Gilbert și colaboratorii lor au folosit porțiuni din genomul nuclear reasamblat al papagalului de Carolina pentru a estima relațiile sale evolutive cu 17 specii existente de papagali (Figura 1). Un arbore genetic estimat pe baza datelor complete ale genomului mitocondrial de la un număr mai mare de specii de papagali a oferit rezultate similare.
a papagalului Carolina construit cu BEAST2 pe baza a 50 de loci nucleari UCE de la 18 specii de papagali și de la o specie de paseri (în bold; nume comune). (Pere Gelabert / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)
Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Analiza ceasului molecular a datelor de secvență genomică nucleară sugerează că scindarea Aratinga-Conuropsis a avut loc în urmă cu aproximativ 2,8 milioane de ani (mya), iar datele mtDNA au estimat această scindare la aproximativ 3,8 mya. Ambele date coincid aproximativ cu închiderea finală estimată a istmului Panama, care este acceptată pe scară largă ca având loc la 3 mya (ref). Astfel, pare plauzibil ca dispersia strămoșilor papagalului Carolina în America de Nord să fi avut loc după ce masele terestre din America de Nord și America de Sud au fost unite.
Analiza ADN-ului relevă puține dovezi de consangvinizare
Analiza genomică a arătat că perușca de Carolina a cunoscut o creștere a dimensiunii populației sale în timpul Pleistocenului mediu, urmată de fluctuații ale populației care au început în timpul ultimei perioade glaciare (care a început în urmă cu aproximativ 110.000 de ani și s-a încheiat în urmă cu aproximativ 15.000 de ani) și de un declin ulterior al populației care a continuat până în vremuri recente. În schimb, perușca soarelui, o specie pe cale de dispariție, a prezentat un declin mai puternic și continuu al populației și o perioadă mai lungă de dimensiune efectivă mai mică a populației decât perușca Carolina.
Profesorul Lalueza-Fox, profesorul Gilbert și colaboratorii lor au profilat apoi heterozigozitatea generală în întregul genom și distribuția curselor lungi de homozigozitate (RoHs) atât pentru perușca Carolina, cât și pentru perușca soarelui. Aceste măsuri oferă o imagine asupra naturii istoriei demografice a acestor papagali. Heterozigozitatea este o măsură a diversității genetice globale, în timp ce RoHs apar atunci când fragmente cromozomiale identice sunt moștenite de la un strămoș comun recent. Heterozigozitatea semnificativ redusă este tipică populațiilor care au fost mici și izolate pentru perioade lungi de timp, în timp ce RoH-uri ridicate sunt de obicei observate în populațiile consangvinizate (ref). Astfel, reduceri ale ambelor măsuri pot fi observate în genomurile speciilor pe cale de dispariție.
ordine taxonomice diferite, cu excepția lui Conuropsis carolinensis și Aratinga solstitialis, care sunt ambele Psittaciformes. Eșantioanele sunt colorate în funcție de statutul de conservare IUCN. (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
Profesorul Lalueza-Fox, profesorul Gilbert și colaboratorii lor au descoperit că perușca Carolina, care a dispărut, avea o diversitate genetică la fel de mare ca multe păsări care trăiesc în prezent și care sunt clasificate de IUCN ca fiind „cel mai puțin îngrijorătoare” (Figura 3). Prin comparație, perușca soarelui, pe cale de dispariție, avea un nivel mult mai scăzut de heterozigozitate – ceea ce ar putea rezulta din faptul că este o pasăre crescută în captivitate. (Papagalul soarelui a fost crescut în captivitate de către avicultori spanioli timp de mulți ani.)
Specimenul de papagal Carolina Espinelves avea 188 RoHs, dintre care nouă aveau o lungime mai mare de 1.000.000 de perechi de bază (1Mb) – deși, prin comparație, papagalul soarelui crescut în captivitate avea 611 RoHs, iar 85 dintre acestea erau mai lungi de 1Mb. Acestea fiind spuse, un RoH al perușei Carolina a fost deosebit de izbitor, deoarece era mai lung de 7,15 Mb, ceea ce sugerează că ar fi putut exista o consangvinizare recentă la strămoșii specimenului Espinelves (deși există și alte motive pentru un RoH lung). Din acest motiv, este posibil ca specimenul de papagal de Carolina Espinelves să fi fost crescut în captivitate.
Papagalii de Carolina au fost adaptați pentru a mânca cocostârci otrăvitori
Știu că aceasta este ceea ce ați așteptat cu toții pe marginea scaunelor: răspunsul la întrebarea cum de papagalul de Carolina putea mânca cocostârci otrăvitori fără să cadă mort.
Deși perușca Carolina consuma o varietate de fructe și semințe, precum și unele flori și muguri, se pare că avea o predilecție pentru cocostârci. De exemplu, o colecție de 99 de observații privind hrănirea papagalilor Carolina a arătat că cel mai mare consum de plante observat (N = 17) a fost cel de cocostârci (ref).
Cockleburs conține un glicozid diterpenic foarte toxic, carboxyatractyloside sau „CAT”, care inhibă în mod specific oricare dintre cei patru transportatori mitocondriali, translocaza ADP/ATP (ANT1, ANT2, ANT3 și ANT4; codificați de SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 și, respectiv, SLC25A31), care joacă un rol fundamental în producția de energie celulară. Pentru a determina dacă vreunul sau toți cei patru transportatori mitocondriali au suferit modificări moleculare care au împiedicat CAT să se lege și, prin urmare, să îi inhibe, profesorii Lalueza-Fox, Gilbert și colaboratorii lor au explorat în continuare aceste gene, comparând secvențele lor cu cele ale acelorași gene din alte specii (ortologi) (Figura 4) (Figura 4).
Reprezentare mitocondrială a membranei externe și interne (mărire în B). (B) Caricatură a structurii cristalografice cu raze X a proteinei bovine ANT (locația aproximativă a inhibiției prin CAT care blochează fluxul de ATP și ADP + Pi). (C) Structura tridimensională modelată a SLC25A4 din Conuropsis cu pozițiile variabile ale SLC25A4 în galben și SLC25A5 în portocaliu deschis (ambele structuri proteice modelate sunt destul de asemănătoare – astfel încât a fost reprezentată doar una pentru simplificare). Regiunea roșie a proteinei corespunde buzunarului. (D) Vedere interioară a structurii modelate 3D a SLC25A4 din Conuropsis (poziții etichetate ca în C). (E) Reprezentarea secvențială a aminoacizilor din jurul poziției A122V din SLC25A4 în Conuropsis (comparație de jos în jos: om; vacă; șoarece; oposum; C. carolinensis; A. solstitialis; pui; anoles; piton; broască țestoasă verde; și crocodil) și indicarea locurilor de buzunar (în roșu) în segmentul de proteină reprezentat. (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
Profesorul Lalueza-Fox, profesorul Gilbert și colaboratorii lor au descoperit că două dintre cele patru gene transportoare mitocondriale de la perușca Carolina au două modificări de aminoacizi în raport cu aceleași gene de la perușca soarelui. Aceste două situri influențează probabil funcționalitatea ambelor proteine. Prin urmare, se pare că aceste mutații au conferit un mecanism unic pentru a face față CAT-ului toxic prezent în dieta papagalului Carolina.
Pistolul fumegând
Doi ani mai târziu, „echipa de vis” a ADN-ului antic a anunțat că, în urma secvențierii și analizării întregului genom a doi papagali neotropicali strâns înrudiți, au descoperit pistolul fumegând în tragedia extincției perușilor Carolina.
În primul rând, pe baza analizei genomului papagalului Carolina, ei au descoperit un nivel de diversitate genetică comparabil cu alte populații de păsări existente care nu sunt pe cale de dispariție. Acest lucru indică faptul că acești papagali emblematici au experimentat un „proces brusc de extincție care nu a lăsat urme în genomul perușilor”.
„Nu indicăm o cauză specifică”, a avertizat profesorul Lalueza-Fox în e-mail, „ci faptul că nu există semne de declin demografic pe termen lung în genomul lor; multe specii pe cale de dispariție experimentează reduceri ale populației pe parcursul a mii sau chiar zeci de mii de ani, iar acest lucru poate fi observat la nivel genomic în diversitatea sa”.
„n realitate, nu avem doar un singur genom în celulele noastre, ci două, unul de la fiecare părinte, iar acestea nu sunt identice; cu cât populația este mai mare, cu atât este mai probabil ca ambele copii cromozomiale să fie diferite”, a detaliat profesorul Lalueza-Fox în e-mail.
„Putem folosi genomica pentru a testa dinamica altor procese de extincție și a deduce dacă acestea sunt cauzate în întregime de oameni, deoarece declinul demografic pe termen lung lasă semnale specifice în genomul speciilor”, a explicat profesorul Lalueza-Fox în e-mail. „Lipsa semnelor unei populații de dimensiuni mici pentru o perioadă lungă de timp indică faptul că dispariția sa a fost un proces abrupt și acest lucru face mai probabil că a fost mediat de om.”
Alte argumente pentru ceea ce ar fi putut cauza dispariția papagalului Carolina, în special bolile păsărilor de curte, vor necesita un screening metagenomic al cel puțin mai multor specimene suplimentare pentru a răspunde la această întrebare. Dar ecranările preliminare ale genomului specimenului de papagal de Carolina Espinelves nu au relevat o prezență semnificativă a virusurilor aviare. Așadar, ideea că bolile păsărilor de curte au exterminat papagalul de Carolina a fost doborâtă și grav rănită.
Ca un bonus suplimentar, profesorul Lalueza-Fox, profesorul Gilbert și colaboratorii lor au găsit, de asemenea, dovezi moleculare care să sugereze modul în care papagalul de Carolina putea mânca cocostârci mortali cu impunitate. În acest moment, ultima dovadă a acestei descoperiri poate fi furnizată de testele funcționale ale celor două variante genetice detectate în genele mitocondriale SLC25A4 și SLC25A5 folosind linii celulare aviare. Dar aceste studii nu sunt încă planificate.
„Speciile dispărute au încă multe lecții să ne învețe despre istoriile lor evolutive fascinante și adaptările lor specifice”, a concluzionat profesorul Lalueza-Fox în e-mail. „Acum că există proiecte ambițioase îndreptate spre secvențierea genomurilor lumii vii, cred că este un fel de datorie morală să readucem aceste informații în arborele genetic emergent al vieții.”
Sursa:
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 și Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, publicat online la 11 decembrie 2019 înainte de imprimare | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066
Urmăriți-mă pe Twitter sau LinkedIn. Consultați site-ul meu web.