DNA-studie pekar på människan som orsak till Carolina-paraketens utdöende

En genomisk analys visar att Carolina-paraketen försvann plötsligt och abrupt, utan att det fanns några genetiska signaturer förknippade med en minskande population, och att artens utdöende därför enbart kan tillskrivas människan

Upp till för 100 år sedan, när den sista arten dog i fångenskap i Cincinnati Zoo, var Nordamerika hemvist för en egen endemisk papegojart: den typiska karoliniaparaketen, Conuropsis carolinensis. Carolinaparaketen hade den nordligaste utbredningen av alla moderna papegojarter: dess utbredning uppskattades sträcka sig från östra Colorado till Atlanten och från södra halvan av delstaten New York ända till Mexikanska golfen (ref; karta).

Denna lilla slanka neotropa papegoja var smaragdgrön med ett ljusgult huvud och hals, ett rödorange ansikte och en blek hornfärgad näbb, och den hade en lång, spetsig svans. Den underart som levde i inlandet i hela de centrala delarna av USA kunde visuellt skiljas från sin mer kustnära kusin genom det blåa skiftet som genomsyrade dess gröna fjäderdräkt.

Carolinasparaketen var djärv och samlarisk och sågs ofta flyga runt i sprudlande flockar som uppgick till hundratals individer i låglandets gamla skogar, i skogskanter och i de kanalbäckar som växte upp runt floder. Tyvärr blev dessa stökiga papegojor föremål för de nyligen anlända europeiska bosättarnas destruktiva tendenser, som raserade deras livsmiljöer för att bygga städer och gårdar och förföljde dem skoningslöst som vedergällning för att de ätit av frukt- och spannmålsskördar och för att samla in deras fjädrar för att dekorera fashionabla damhattar, och som till och med sköt dem från himlen helt enkelt för den perversa njutningen av att döda något vilt, levande och vackert.

Tragiskt nog var det bara ett fåtal jordbrukare och naturforskare som någonsin uppmärksammade dessa papegojors vanor tillräckligt för att veta att dessa fåglar var unikt nyttiga på grund av sin förkärlek för kikelrot, Xanthium strumarium. Kockepalm är en utbredd växt som producerar ett gift som är särskilt giftigt för levern, men Carolinaparakiterna var den enda kända arten som åt denna växt eller dess frön utan att drabbas av några negativa effekter. Denna diet av cockleburs gjorde tydligen Carolinaparaketens kött giftigt, enligt Audubon.

Trots den utbredda förstörelsen av dess livsmiljö samt den omfattande slakten av dessa papegojor, diskuterar människor fortfarande om vad som slutligen drev Carolinaparaketen till utrotning. Berodde det på importerade invasiva honungsbin som stal papegojornas bohålor? Eller kanske var det någon mystisk, namnlös fjäderfäsjukdom som utplånade dem? Eller kanske var det den (blygsamma) sällskapsdjurshandeln som var skulden? För några år sedan hävdade vissa myndigheter nyligen att Carolinaparaketens utrotning berodde på en kombination av dessa, och kanske flera andra, faktorer (ref; läs mer här).

Men en ny DNA-baserad studie (ref) av ett europeiskt forskarlag tycks äntligen ha avslöjat den rykande pistolen i Carolinaparaketens tragiska historia. Teamet har sekvenserat Carolina-paraketens arvsmassa från ett exemplar som ursprungligen samlades in av den katalanska naturforskaren Marià Masferrer (1856-1923) och som nu innehas av hans ättlingar i en privat samling i den katalanska kommunen Espinelves. Efter att ha analyserat denna papegojas arvsmassa drog forskarna slutsatsen att Carolinaparaketen försvann plötsligt och abrupt – vilket stämmer överens med rapporter om människor som gjort det till sin besatthet att skjuta bort dessa färgglada fåglar.

Första sekvenserade hela genomet från den utdöda Carolinaparaketen och den utrotningshotade solparaketen

Detta projekt startades efter att Pere Renom, som var doktorand vid institutet för evolutionsbiologi (IBE), ett gemensamt institut för Pompeu Fabra-universitetet och det spanska nationella forskningsrådet, och vetenskapsreporter med anknytning till det populära katalanska vetenskapsprogrammet ”Quèquicom”, upptäckte att det finns ett exemplar av den utdöda Carolinaparaketen i en privat samling i Katalonien. Han blev övertygad om att processen att återskapa gammalt DNA från detta exemplar med det potentiella målet att använda detta DNA för att ”avhjälpa utrotningen” skulle bli ett fängslande inslag i den offentliga televisionen. (Renom hade rätt: detta avsnitt, ”Desextinció: reviure una espcie”, tilldelades nyligen det spanska Prisma-priset som 2019 års bästa video om vetenskaplig spridning. Även om du inte talar spanska är den definitivt värd att se.)

”Renom kontaktade mig och frågade om jag skulle vara intresserad av att försöka hämta DNA från exemplaret”, säger paleogenetikern Carles Lalueza-Fox, forskare vid IBE och en auktoritet när det gäller att återskapa och analysera forntida DNA.

Detta satte igång ett vetenskapligt ”the Dream Team” av forntida DNA-experter som samarbetade för att studera denna ikoniska papegoja. Professor Lalueza-Fox fick sällskap av evolutionsbiologen och paleogenetikern M. Thomas P. Gilbert, professor vid Köpenhamns universitets prestigefyllda Centre for Geogenetics, som är världsledande inom forntida DNA-forskning. Professor Lalueza-Fox och professor Gilbert samlade ett team av medarbetare för att hjälpa till att återskapa och rekonstruera den första kompletta arvsmassan hos den utdöda Carolinaparaketen, för att analysera dessa data för att undersöka artens evolutionära historia och för att identifiera den potentiella orsaken till dess utdöende.

Då mumifierad vävnad är en dålig källa till gammalt DNA, röntgade teamet Espinelves-exemplaret för att se hur det hade förberetts och för att identifiera ben från vilka de kunde få ett användbart prov. Röntgenbilderna visade att exemplaret hade mycket få ben – men lyckligtvis hade det fortfarande kvar sitt vänstra ben (lårbenet). De använde en liten benborr för att samla in ett litet prov av pulvriserad benvävnad från lårbenet, och de samlade också in ett litet vävnadsprov från en tåhåla.

Till samma tid erhölls genomiskt DNA från ett blodprov från en honlig solparasit som fötts upp i fångenskap, Aratinga solstitialis, som är en nära genetisk släkting. Det har tidigare visats att Carolina- och solparakiter hade en gemensam förfader för cirka 3 miljoner år sedan och att båda arterna har cirka 1 000 gener vardera. Solparasiten och Carolina-parasiten har alltså ett mycket likartat genom, så solparasitens genom tjänade som referens för datorkartläggning av de gamla DNA-fragmenten som erhållits från Espinelves Carolina-parasit-exemplar. Totalt återfanns mer än 1 100 miljoner baspar – lite mer än en gigabyte – från Espinelves-exemplaret och sattes ihop igen.

Carolinaparaketens evolution påverkades av geografiska händelser

Professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare använde delar av det återmonterade kärngenomet för Carolinaparaketens kärngenom för att uppskatta dess evolutionära släktskap med 17 bevarade arter av papegojor (figur 1). Ett genträd som uppskattades från fullständiga mitokondriella genomdata från ett större antal papegojarter gav liknande resultat.

Molekylär klockanalys av nukleärgenomiska sekvensdata tyder på att uppdelningen mellan Aratinga och Conuropsis inträffade för cirka 2,8 miljoner år sedan (mya) och mtDNA-data uppskattar att denna uppdelning skedde för cirka 3,8 mya. Båda datumen sammanfaller i stort sett med den uppskattade slutliga stängningen av Panama-isthmus, som allmänt accepteras ha inträffat 3 mya (ref). Det verkar alltså rimligt att spridningen av Carolina-paraketens förfäder till Nordamerika skedde efter att den nord- och sydamerikanska landmassan förenades.

DNA-analys avslöjar få bevis på inavel

Genomisk analys avslöjade att Carolinaparaketen upplevde en ökning av sin populationsstorlek under den mellersta pleistocänen, följt av populationsfluktuationer som inleddes under den senaste istiden (som inleddes för cirka 110 000 år sedan och avslutades för cirka 15 000 år sedan), och en efterföljande populationsnedgång som fortsatte fram till nyligen. Däremot uppvisade den utrotningshotade solparaketen en starkare, kontinuerlig populationsnedgång och en längre period av lägre effektiv populationsstorlek än Carolinaparaketen.

Professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare profilerade sedan den totala heterozygositeten i hela genomet och fördelningen av långa homozygositetslöpningar (RoHs) för både Carolinaparaketen och solparaketen. Dessa mått ger en glimt av hur dessa papegojors demografiska historia ser ut. Heterozygositet är ett mått på den totala genetiska mångfalden, medan RoHs uppstår när identiska kromosomfragment ärvs från en ny gemensam förfader. Betydligt minskad heterozygositet är typiskt för populationer som har varit små och isolerade under långa perioder, medan förhöjda RoHs vanligtvis observeras i inavlade populationer (ref). Således kan minskningar i båda måtten ses i genomet hos hotade arter.

Professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare fann att den utdöda Carolinaparaketen hade lika stor genetisk mångfald som många fåglar som lever i dag och som av IUCN klassificeras som ”least concern” (figur 3). I jämförelse hade den utrotningshotade solparaketen en mycket lägre nivå av heterozygositet – vilket kan bero på att den är uppfödd i fångenskap. (Solparaketen har fötts upp i fångenskap av spanska fågelodlare i många år.)

Ett exemplar av Espinelves Carolinaparaket hade 188 RoHs, varav nio var mer än 1 000 000 baspar (1Mb) långa – men i jämförelse hade den fångenskapsuppfödda solparaketen 611 RoHs och 85 av dessa var längre än 1Mb. Med detta sagt var en RoH hos Carolinaparaketen särskilt slående eftersom den var längre än 7,15 Mb, vilket tyder på att det kan ha förekommit inavel nyligen hos förfäderna till Espinelves-exemplaret (även om det finns andra orsaker till en lång RoH också). Av denna anledning är det möjligt att Espinelves exemplar av Carolinaparaketen kan ha fötts upp i fångenskap.

Colinaparaketer var anpassade för att äta giftiga kackerlackor

Jag vet att det här är vad ni alla har suttit på kanten av era stolar och väntat på: svaret på frågan om hur Carolinaparaketen kunde äta giftiga kackerlackor utan att falla död omkull.

Och även om Carolinaparakiterna åt en mängd olika frukter och frön samt vissa blommor och knoppar, hade den tydligen en förkärlek för kackerlackor. Till exempel visade en samling av 99 födoobservationer av Carolinaparakiter att det högsta observerade växtintaget (N = 17) var kackelblomster (ref).

Kockblommor innehåller en mycket giftig diterpenglykosid, carboxyatraktylosid eller ”CAT”, som specifikt hämmar någon av de fyra mitokondriella transportörerna, ADP/ATP-translocase (ANT1, ANT2, ANT3 och ANT4; kodade av SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 respektive SLC25A31), som spelar en grundläggande roll i den cellulära energiproduktionen. För att avgöra om någon eller några av de fyra mitokondriella transportörerna hade molekylära förändringar som hindrade CAT från att binda och därmed hämma dem, undersökte professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare dessa gener ytterligare genom att jämföra deras sekvenser med sekvenser från samma gener i andra arter (ortologer) (figur 4).

Professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare fann att två av de fyra mitokondriella transportgener från Carolinaparaketen har två aminosyraförändringar i förhållande till samma gener hos solparaketen. Dessa två platser påverkar troligen de båda proteinernas funktionalitet. Det verkar därför som om dessa mutationer ger en unik mekanism för att hantera den giftiga CAT som finns i Carolina-paraketens diet.

Den rykande pistolen

Två år senare meddelade det urgamla DNA-”Dream Team” att som ett resultat av sekvensering och analys av hela arvsmassan hos två närbesläktade neotropiska papegojor hade de avslöjat den rykande pistolen i tragedin med utrotningen av Carolinaparaketen.

För det första, baserat på deras analys av Carolina-paraketens genom, fann de en nivå av genetisk mångfald som är jämförbar med andra existerande populationer av fåglar som inte är utrotningshotade. Detta tyder på att dessa ikoniska papegojor upplevde en ”plötslig utrotningsprocess som inte lämnade några spår i paraketens genom.”

”Vi pekar inte på en specifik orsak”, varnade professor Lalueza-Fox i ett e-postmeddelande, ”utan på det faktum att det inte finns några tecken på långvariga demografiska minskningar i deras genom; många utrotningshotade arter upplever populationsminskningar under tusentals eller till och med tiotusentals år, och detta kan ses på genomisk nivå i dess mångfald”.

”n faktum är att vi inte bara har ett genom i våra celler, utan två, ett från varje förälder, och de är inte identiska; ju större populationen är, desto större är sannolikheten att båda kromosomkopiorna är olika”, förklarade professor Lalueza-Fox i ett e-postmeddelande.

”Vi kan använda genomik för att testa dynamiken i andra utrotningsprocesser och dra slutsatser om de helt och hållet orsakas av människan, eftersom långvariga demografiska minskningar lämnar specifika signaler i arternas genom”, förklarade professor Lalueza-Fox i ett e-postmeddelande. ”Avsaknaden av tecken på små populationsstorlekar under en lång tidsperiod tyder på att dess utdöende var en plötslig process och detta gör det mer sannolikt att det var människoförmedlat.”

Andra argument för vad som kan ha orsakat Carolinaparaketens utdöende, särskilt fjäderfäsjukdomar, kommer att kräva en metagenomisk screening av åtminstone flera ytterligare exemplar för att besvara denna fråga. Men preliminära screeningar av Espinelves Carolina paraket-exemplars genom avslöjade inte någon betydande förekomst av fågelvirus. Så idén om att fjäderfäsjukdomar skulle ha utplånat Carolinaparaketen har skjutits ner och skadats allvarligt.

Som en extra bonus hittade professor Lalueza-Fox, professor Gilbert och deras medarbetare också molekylära bevis som tyder på hur Carolinaparaketen ostraffat kunde äta dödliga kackerlackor. I dagsläget kan det sista beviset för denna upptäckt tillhandahållas genom funktionella tester av de två genetiska varianter som upptäckts i de mitokondriella SLC25A4- och SLC25A5-generna med hjälp av aviära cellinjer. Men dessa studier är ännu inte planerade.

”Utdöda arter har fortfarande mycket att lära oss om sin fascinerande evolutionära historia och sina specifika anpassningar”, avslutar professor Lalueza-Fox i ett e-postmeddelande. ”Nu när det finns ambitiösa projekt som är inriktade på att sekvensera den levande världens genom, tycker jag att det är en slags moralisk plikt att återge denna information till det framväxande genetiska livets träd.”

Källa:

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 och Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, publicerad online den 11 december 2019 före tryckning | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

Få det bästa från Forbes till din inkorg med de senaste insikterna från experter över hela världen.

Följ mig på Twitter eller LinkedIn. Kolla in min webbplats.

Loading …