1
Cichlidy představují druhově nejbohatší čeleď obratlovců. Více než 3000 druhů se nachází v oblasti Střední a Jižní Ameriky, Africe, Madagaskaru a jižní Indii. Jsou výborným modelem studia speciace, opakovaně předvedly rychlou radiaci a sympatrickou speciaci. Nejzkoumanější jsou cichlidy z Velkých jezer ve východní Africe, kde se nachází 2000 druhů. Stovky druhů se vyvinuly z jedné linie během 1 milionu let. Jejich genomy jsou velice podobné - diverzita nukleotidů je 0,26%, čili menší než u laboratorních zebřiček (0,48% ) a srovnatelná s člověkem a šimpanzem), ale diverzita jejich morfologie a chování (zbarvení, potravní chování a rozmnožování, organizace mozku) je na úrovni obratlovčího řádu.
Koljušky jsou ryby žijící v mořích i sladkých vodách po celé severní polokouli. V mořích jsou ancestrální formy koljušek, uniformní morfologií i chováním, zato v ledovcových jezerech a potocích se vyvinula velká diverzita chování i morfologie jako odpověď na lokální prostředí, to vše za krátkou dobu 12 tisíc let. Původně byly koljušky klasifikovány do cca 40 druhů, ale ukázalo se, že je to druh jeden, koljuška tříostná (Gasterosteus aculeatus). Kvůli této diverzifikaci jsou oblíbeným modelem ekologů, etologů a evolučních biologů, byly o nich napsány tisíce článků, jsou k dispozici ESTy, BAC knihovny, transgenní techniky, takže lze mapovat geny, dělat záchranu (rescue) změněných genů a tím zjistit vliv mutace, měnit regulační sekvence, ... Nejzajímavějším variabilním znakem koljušek je jejich brnění. Mořské koljušky jsou plně obrněny, mají 3 ostny na hřbetě, dva pelvikální (pánevní) ostny a řadu laterálních plátů. Ostny jsou zřejmě obranou proti ptákům a rybožravým rybám, kteří jsou omezení tím, jak moc dokáží otevřít čelist. Naopak některé sladkovodní druhy nezávisle zcela ztratily pánevní ostny, možná jako reakce na chybějící rybí predátory, nedostatek vápníku a přítomnost velkých bezobratlých predátorů. Neobvyklejší modifikací je redukce počtu laterálních plátů. Většina mořských druhů si ponechala celou sadu, většina sladkovodních druhů si ponechala jen některé (hlavně anteriorní). Faktory vedoucími ke ztrátě laterálních plátů by mohly být: tolerance k salinitě, intenzita proudu, málo vápníku, citlivost k parazitům, zvýšení flexibility těla a zlepšení plavání – u žádného z faktorů nebylo prokázáno, že by způsobil redukci opakovaně u více populací.
Evoluce sterility a inviability hybridů je způsobena postupnou akumulací nekompatibilních genetických interakcí mezi druhy. Muller a Dobzhansky poprvé postulovali, že geograficky oddělené druhy si nutně musejí fixovat nové varianty genů, které se dobře hodí do jejich prostředí, ale ne do prostředí druhého druhu. Představme si dvě populace v dvěma lokusy AABB. Jak populace divergují, tak v první populaci vznikne mutace a a je fixována (aaBB) a v druhé populace vznikne a fixuje se mutace b (AAbb). Během této substituce nedojde k žádnému poklesu fitness. Ovšem za celou historii těchto nových druhů se obě alely nesešly v jednom genotypu a jejich interakce neprošly selekcí. Pokud jsou náhodou obě alely a a b nekompatibilní a narušují gametogenezi hybridů nebo jejich vývoj, tak dojde ke sterilitě nebo inviabilitě – oba druhy jsou reprodukčně izolované. Jedním způsobem, jak studovat divergentní selekci vyvolanou ekologickými vlivy, jsou experimenty na mikroorganismech. Tento přístup má původ u jednoho z Darwinových současníků, Williama Dallingera, ale získal na důležitosti až na počátku 90. let 20. století. Při různých podmínkách prostředí byly pozorovány trade-offs, které lze stabilně udržovat. Poslední dobou je možné přečíst genomy virů a mikroorganismů, které byly takto selektovány. Z těchto studií je zřejmé, že adaptace na různá prostředí má za následek sníženou fitness hybridů. BDM nekompatibilita tedy vzniká jako důsledek pozitivní selekce. Toto podporuje i pozorování, že většina genů způsobujících nekompatibilitu hybridů vykazuje znaky adaptivní selekce.
Možných scénářů přírodní selekce je mnoho, tyto dva jsou nejdůležitější: 1) Reprodukční izolace se vytvoří jako vedlejší produkt divergující selekce, která selektuje změny vedoucí k lepší adaptaci ke konkrétnímu prostředí (morfologické, fyziologické, behaviorální). Na počátku není cílem selekce reprodukční izolace, ta je důsledkem diferenciace. Důležité důkazy pro tento typ selekce pocházejí ze systémů, kde se opakovaně v podobných prostředích nezávisle vyvíjejí podobné morfy. Typickým příkladem je koljuška, kde se opakovaně nezávisle vyvinuly velké bentické formy, živící se v litorálu, a malé limnetické formy, žeroucí zooplankton ve volné vodě. Ukazuje se, že reprodukční izolace je nejen mezi morfami ze stejného jezera, ale mezi různými morfami z různých jezer (--> bentická z jednoho jezera nechce limnetickou z libovolného jezera, naopak mezi bentickými z různých jezer je slabá reprodukční izolace). Reprodukční izolace je zde tedy spojena s adaptací na prostředí. Obrázek: Pravděpodobnost tření v závislosti na ekologických rozdílech mezi nezávisle vzniklými populacemi koljušky tříostné. Koljuška tvoří specializované populace (bentickou žijící na dně a limnetickou ve volné vodě) a tyto formy vytvořila nezávisle několikrát v různých jezerech. Body nalevo znázorňují pravděpodobnost tření mezi limnetickou a bentickou formou ze stejného jezera (modrá) nebo různých jezer (žlutá). Jak patrno, stejné formy jsou ochotnější se spolu třít (i ty, které pocházejí z různých jezer a vznikly nezávisle) než různé formy. 2) Druhým typem je uniformní přírodní selekce, kdy v různých populacích dojde nezávisle k fixaci různých výhodných alel, které ale dohromady tvoří nevýhodný fenotyp. Např. v jedné populaci se vytvoří lepší signální protein, v druhé se vylepší nasedací místo cílového proteinu, které ale vylepšený protein nerozpozná. Reprodukční izolace zde
vzniká jako vedlejší produkt genetické divergence, která sama není selekcí zvýhodněna. Možným příkladem je Drosophila melanogaster a D. simulans, jejichž samčí hybridi nejsou životaschopní. Příčinou je nekompatibilita genu pro Nucleoporin-96, jehož produkt je součástí komplexu jaderného póru. Nup96 D. simulans negativně interaguje s genem/geny na X chromosomu D. melanogaster, což vede k smrti samčího potomstva. Nup96 u obou druhů obsahuje řadu substitucí, svědčící o adaptivní evoluci.
11
Ani jeden z těchto mechanismů neselektuje reprodukční izolaci, která vzniká jako vedlejší produkt. Pokud se ale separované divergované druhy k sobě dostanou a nejsou ještě úplně reprodukčně oddělené, nastane tok genů a diverzita v obou populacích může zkolabovat. Pokud ale není tok moc velký, nastává tzv. reinforcement, což je dokončení speciace posílením reprodukční bariéry. Zvýhodněni budou jedinci, kteří dokáží poznat jedince svého druhu a tak neprodukovat hybridy se sníženou fitness. Reinforcement vede k zesílení reprodukční izolace zejména v místech, kde se setkávají dva cca stejně staré druhy. Příkladem je široce rozšířená D. pseudoobscura a D. persimilis, která se vyskytuje pouze u pacifického pobřeží v kontaktu s D. pseudoobscura. Samice D. pseudoobscura v místech, kde jsou v kontaktu s D. persimilis rozlišují mezi samci a dávají přednost samcům svého druhu, samice D. pseudoobscura z jiných oblastí méně.
Sexuální selekce se vyskytuje tam, kdy si jedno pohlaví vybírá sexuální partnery podle nějakého znaku. Produktem této selekce jsou zvláštní zbarvení, hlasové projevy, tvary genitálií, chování, atd. Cíl této selekce nemusí mít nic společného s adaptací na prostředí, spíše nositele znevýhodňují. Sexuální selekce je považována za důležitou, protože mnoho sesterských druhů se odlišuje především ve znacích preferovaných sexuální selekcí. Klasickým příkladem jsou cichlidy ze skupiny Haplochromine z Viktoriina jezera, které diverzifikovaly v mnoho druhů, a hodně z nich, které jsou sesterské a mají podobné ekologické nároky, se nápadně liší právě ve zbarvení samců. Je dokázáno, že právě zbarvení používají samičky k rozlišení samců svého druhu. Mechanismů sexuální selekce je celá řada, ale dva nejvýznamnější jsou opět divergující selekce a fixace různých výhodných alel v různých populacích. Příkladem prvního může být rod Anolis, kde si samice vybírají samce podle zbarvení laloku na krku. Různé druhy se vyskytují v různých světelných podmínkách, změny v zbarvení samců jsou tedy důsledkem přizpůsobení se odlišným světelným podmínkám tak, aby v nich byl jejich lalok lépe vidět. Příkladem fixace různých alel je sexuální konflikt mezi samcem a samicí, kdy nějaká mutace může zvýhodnit samcovy spermie v kompetici s jinými samci, ale zároveň poškodí samici. U té dojde k protiadaptaci, což může vést ke zvýšení kompatibilnosti, ale zároveň k reprodukční izolaci samců s jinými spermiemi (př. Tribolium castaneum – vajíčka nejlépe oplodní spermie samců ze stejné populace).
Speciace je těsně spjatá s genetickou diverzitou mezi populacemi, čím je větší, tím nižší je frekvence páření a je také snížena životaschopnost a fertilita hybridů. Ale speciace není tak jednoduchá. Proti ní působí tok genů a paradoxně přírodní selekce. Vzorový příklad. Na ostrov, kde jsou malá a velká semena, se dostane skupina pěnkav s malým zobákem. Malý zobák se hodí na malá semena, velký zobák by umožnil zpracovat velká. Velikost zobáku je např. dána dvěma geny s aditivním účinkem: aabb – malý zobák, AABB – velký zobák. K speciaci může teoreticky dojít, ale nejspíš nedojde, protože: 1) každá mutace na cestě k velkému zobáku vygeneruje fenotyp s prostřední velikostí, která má menší fitness, než malý/velký zobák (tzv. problém údolí fitness, the fitness valley problem). I kdyby se údolí podařilo překonat, je tu tok genů, který výhodné mutace namíchá do nevýhodných kombinací. K vytvoření reprodukční bariéry je potřeba další gen (p), kde alela p vede k páření s jedinci s malým zobákem a alela P s jedinci s velkým zobákem. Ovšem i když se sejdou všechny správné alely v jednom jedinci, rekombinace je od sebe každou generaci oddělí.
Oba problémy by mohly být snadno vyřešeny prostorovým oddělením obou populací (alopatricky nebo parapatricky). To omezí tok genů a pokud bude jedna populace aabb na ostrově jen s velkými semeny, každá mutace zvětšující zobák bude výhodná (není tu údolí fitness). Genetické rozdíly narůstají, protože zde není tok genů, a pokud populace s velkými zobáky rekolonizuje původní ostrov, genetické rozdíly způsobují reprodukční bariéru a populace ne nepromíchají --> vznikly nové druhy. Potíže se vznikem druhu na jednom ostrově ukazuje, proč většina druhů patrně prošla obdobím, kdy byla prostorově oddělena, zatímco příkladů sympatrických speciací je poměrně málo. Nicméně i sympatricky mohou nové druhy vzniknout. Např. pokud by alela p říkala „páruj se náhodně“ a alela P páruj se s tím, kdo má stejný zobák jako ty“, odpadne problém s rekombinací.
Na počátku divergence je reprodukční izolace závislá na malém množství genů, způsobujících lokální adaptaci. Za přítomnosti rekombinace nastává problém, jak při toku genů udržet pohromadě geny zodpovědné za lokální adaptaci a prekopulační izolaci. Ve hře jsou těsná vazba, lokální vyřazení rekombinace a pleiotropní efekt jednoho genu. Chromosomální přestavby (inverze) byly pozorovány např. u drozofil a koljušek.
Pleiotropní efekt je obzvlášť zajímavým kandidátem, protože odpadá problém s vazbou i rekombinací. Jeden gen by plnil obě funkce nezbytné k divergenci: výhodu specifickou pro habitat a zároveň by na základě tohoto znaku fungovalo asortativní párování. Velikost zobáku u Darwinových pěnkav funguje jako adaptace i k rozpoznání druhu, příčinou je zřejmě lokus zahrnutý do kalmodulinové dráhy. Pleiotropie zřejmě stojí i za reprodukční izolací a změnou hostitele u mšice Acyrthosiphon pisum. Barva křídel a výběr partnera byly u motýlů rodu Heliconius zamapovány do jediného lokusu wingless (ale možná se jedná o více lokusů v těsné vazbě). Hodně se očekává od osekvenovaných genomů, kandidátními geny budou geny pro zbarvení, raný vývoj a obranu před parazity (studován MHC – obrana proti parazitům + vliv na chování).
Slavným příkladem sympatrické speciace z přírody je vrtule Rhagoletis pomonella (Diptera), která má dvě rasy, lišící se hostitelskou rostlinou. Původní je hloh, ale před méně než 150 lety v Hudson River Valley (New York) se část populace přeorientovala na jabloně, proběhly adaptace na nového hostitele, takže nucený návrat k hlohu snižuje prospívání. Samice obou ras preferenčně kladou na plody své hostitelské rostliny a protože na nich se odehrává i páření, jsou obě rasy i slušně předkopulačně izolované (jablka a hloh mají vrchol produkce plodů posunutý o cca 4 týdny). Protože dospělci žijí jen 4-6 týdnů, a vrchol zrání jablek a hlohu jsou od sebe cca měsíc, mají obě rasy posunutou dobu diapauzy tak, aby se z přezimujících kukel líhly ve správný čas, což taky přispívá k reprodukční bariéře. Rozdíly jsou i v diapauze, protože jablka dozrávají dříve než hloh, jsou larvy a kukly obou ras před zimou v různém postavení. Diapauza je u R. pomonella fakultativní, takže pokud je kukla po delší dobu vystavena vyšším teplotám, přeskočí diapauzu a rovnou se vylíhne dospělec, což je v přírodních podmínkách fatální. Jablečná rasa je tedy selektovaná tak, aby odolala vyšším teplotám a diapauzu nastoupila, hlohová ne, což zase může působit jako důležitá postzygotická reprodukční bariéra. Adaptace na jablka byla patrně provázena inverzemi na chromosomech 1,2 a 3 (n=6) a zahrnuje cca ½ genomu, a je možné, že tyto inverze obsahují komplexy genů, které jsou zodpovědné za adaptaci na hostitele a rozdíly v diapauze. Případ R. pomonella je učebnicovým příkladem sympatrické speciace (což je vzácné), ale nové populační studie ukázaly, že tomu tak nejspíš není. Podle nich preadaptace potřebná pro vznik dvou ras vznikla v Mexiku před cca 1,5 My (alopatricky) a do Ameriky se dostala opětovným stykem obou populací. Druhým problémem je, že se ve skutečnosti nejedná o sympatrii, ale o mikroalopatrii, protože oba druhy se díky různým hostitelským rostlinám a jejich různé době zrání plodů v zásadě nestýkají.
Reprodukční izolace je způsobena prezygotickou nebo postzygotickou izolací, případně kombinací obou. Prezygotická izolace může být způsobena nízkou šancí na setkání partnerů (časová nebo prostorová izolace), páření (sexuální izolace), nebo úspěšné oplození (např. nekompatibilitou spermie a vajíčka). Postzygotická izolace je způsobena buď vnějšími faktory (špatná adaptace na konkrétní prostředí, neatraktivnost hybridů) nebo vnitřními faktory (snížená životaschopnost/fertilita hybridů). Počáteční divergence populací je následována rychlou ekologickou divergencí a sexuální izolací, aby se předešlo vnitřním postzygotickým nekompatibilitám.
Během speciace dochází k budování reprodukční bariéry mezi divergujícími populacemi, jejíž důsledkem je vznik hybridů se sníženou fitness. Postzygotické izolace jsou 2 typů: vnější (extrinsic) (hybridi nezapadají do nik rodičovských druhů) a vnitřní (intrinsic) (vývojové vady, částečná/úplná sterilita). Podle některých recentních prací je vnější postzygotická izolace (EPI) významnější než vnitřní, zejména na počátku divergence. Nicméně kvůli tomu, že se vnitřní izolace (IPI) lépe zkoumá v laboratoři a existuje na ní řada teoretických prací, víme toho o ní víc. U koljušky hybridi limnetických a bentických morf, kteří v laboratoři dobře prospívali, měli v přírodě opožděný růst oproti rodičovským druhům, protože měli problémy s hledáním potravy v obou rodičovských habitatech. Roli hraje i sexuální selekce. Hybridi koljušek jsou i méně úspěšní v získávání samiček. Roli zde patrně hraje dvoření, které se u koljušek vyskytuje v mnoha podobách. Populační genetici řešili problém, jak to, že selekce připustí existenci hybridů se sníženou fitness. Tento problém byl řešen v Bateson-Dobzhansky-Mullerově modelu (1. půlka 20. století) díky alopatrickým populacím, které se vyvíjejí nezávisle a kde vznikající mutace fungují dobře v genetickém kontextu dané populace. Ke vzniku druhů nejsou zapotřebí mezikroky s hybridy se sníženou fitness. Protože ale alely v obou populacích nejsou spolu testovány, při jejich opětné kombinaci dojde k výše zmíněným hybridům se sníženou fitness, kteří jsou tudíž jen vedlejším produktem celého procesu.
Vnitřní postzygotická izolace je způsobena čtyřmi typy genetických mechanismů: úroveň ploidie, přestavby chromosomů, genová inkompatibilita a interakce mezi jaderným genomem a endosymbionty. Důležitost jednotlivých mechanismů je u různých skupin různá, např. ploidie hraje významnou roli u rostlin, chromosomální přestavby byly studovány např. u drozofily a koljušek. Nicméně zdá se, že nekompatibilita genů je nejdůležitějším mechanismem vnitřní postzygotické izolace. Nejčastěji se jedná o interakce alel různých lokusů, kdy alela genu jednoho rodičovského druhu neinteraguje dobře s alelou jiného genu druhého rodičovského druhu. Negativní epistáze mezi geny představuje způsob, jak dochází ke sterilitě a snížené viabilitě hybridů.
Vznik nových druhů hybridizací je znám zejména z rostlin, u živočichů je většinou spojen s následnou partenogenezí. K tomu je potřeba tvorba reprodukční izolace + ustavení normální meiózy. Oba problémy řeší tetraploidizace, což je běžné u rostlin. U živočichů fertilita a izolace spíš vznikají nějakou formou klonální reprodukce, jako partenogeneze, gynogeneze a hybridogeneze (mohou a nemusejí být spojeny s polyploidizací), u kterých většinou nedochází k rekombinaci. Chybějící rekombinace má několik nevýhod: malá variabilita -> nelze reagovat na rychlé parazity, 2) degenerace genomu (Mullerova rohatka), 3) nedochází ke kombinaci výhodných alel. Z těchto důvodů jsou klonální reprodukce slepou evoluční větví, pokud si nenajdou mechanismus, jak svůj genom oživit. Jednou z možností je příležitostná krádež částí genomu z jiných druhů (unisexuální salamandr Ambystoma se nechává oplodnit spermiemi příbuzného sympatrického druhu a inkorporuje do svého genomu části jeho genomu a naopak zahodí části svého genomu. Další možností je, pokud se jedná o oboupohlavní hybridy, kteří, pokud jsou životaschopní a fertilní, mohou zrekombinovat své genomy (např. Pelophylax esculentus a Squalius alburnoides).
Inverze, tedy stav, kdy se část chromosomu obrátí a vloží zpět v opačné orientaci, představuje efektivní způsob, jak lokálně vyřadit rekombinaci. V této oblasti se totiž homologní chromosomy nemohou párovat a proto zde nemůže docházet ke crossingoveru. Často lze inverze pozorovat na pohlavních chromosomech, nebo na místech, kde jsou geny zodpovědné za speciaci.
Drosophila pseudoobscura a D. persimilis v přírodě tvoří hybridy (málo), ale samci jsou sterilní. Oba druhy se liší 4 chromosomálními inverzemi. Byla zkoumána genetická podstata sterility hybridních samců, samčí úspěch v páření, hybridní inviabilita, dysfunkce v dvoření se samicím (druhy se liší např. vibrací křídel při námluvách) a samičí preference samců vlastního druhu. Všechny znaky byly zamapovány do invertovaných oblastí na chromosomech X a 2.
Když u dvou linií dojde k adaptivní divergenci, budou zvýhodněné případné mechanismy, které zabrání rekombinaci. Mezi dvěma populacemi sladkovodní a mořské formy koljušek byly na některých chromosomech nalezeny lokální inverze (chrom. I, XI, a XXI) a zároveň bylo prokázáno, že v těchto místech mají sekvence nejvyšší stupeň divergence. Hranice invertovaných oblastí obsahují invertované repetice, což napovídá, že se inverze odehrála mechanismem intrachromosomální rekombinace.
Interakce mezi jaderným genomem a endosymbionty, ústící v reprodukční bariéru, byl studován hlavně na bakterii Wolbachia. Ukazuje se ale, že mitochondriální DNA, dlouho považovaná za neutrální, může mít vliv na speciaci. Mitochondrie jsou zodpovědné za produkci energie oxidativní fosforylací, špatná kombinace mitochondriálních a jaderných genů tedy může být příčinou snížené fitness. Toto bylo pozorováno např. u mořských korýšů (Copepoda) a u vosiček rodu Nasonia. Samčí potomstvo F2 hybridů mezi Nasonia giraulti a N. vitripennis trpí zvýšenou mortalitou během vývoje, v čemž hraje důležitou roli mitochondrie. Mitochondriální genom kóduje 13 genů, které jsou důležitou součástí enzymatických komplexů oxidativní fosforylace I, III, IV a V, ale ne II, který je kódován výhradně jadernými geny. Ukázalo se, že samčí hybridi F2 mají sníženou produkci ATP a efektivita komplexů I, III a IV je snížená, což neplatí pro komplex II. Hybridi tak generují méně energie, což snižuje jejich fitness.
Evoluční biologie řeší otázku, zda se speciace děje akumulací mnoha mutací malého účinku, nebo několika mutací velkého účinku. Až do konce 20. století převládal tzv. mikroevolucionalismus, čili víra v efekt mnoha malých mutací, ale analýzy QTL (quantitative trait loci) v 80. letech umožnily najít, spočítat a odhadnout vliv genů, které se účastní změn fenotypu. Nejvíce důkazů je z rostlin a hmyzu, a ty ukazují, že u přírodních populací jsou změny fenotypu řízeny hlavně několika málo lokusy. U koljušek se hledaly geny řídící změny skeletu křížením Japanese marine fish (úplný skeleton) s Paxton benthic fish (bez pánevních struktur a omezeným množstvím plátů. F2 byla variabilní v počtu a velikosti plátů. Mapováním mikrosatelitů se podařilo zamapovat jeden hlavní lokus a 4 minoritní lokusy, které jsou za tuto variabilitu zodpovědné (hlavní lokus řídí 70% variability). Testováním morfologie plátů byl nalezen jiný majoritní lokus řídící 80% variability. Mapování dalších znaků, jako morfologie kostí hlavy, délka dorsálních ostnů a počet žaberních tyčinek (gill rakers) také nasvědčuje vliv malého množství genů.
Relativně malé změny ve vývojových genech mohou mít za následek velké změny v morfologii. Příkladem jsou Darwinovy pěnkavy, jejichž hlavní diverzita spočívá v délce a ve tvaru zobáku podle typu jejich potravy. Pozemní pěnkavy mají hluboký a široký zobák, kaktusové pěnkavy dlouhý a ostrý zobák (úzký s malou hloubkou) a pěnicovité pěnkavy mají malý ostrý zobák. I malé změny v některé z dimenzí tvaru zobáku mají velké důsledky pro fitness. Porovnáním exprese pomocí microarray byly nalezeny kandidátní geny, které prodlužují zobák. Ca2+calmodulin-dependent protein kinase phosphatase (CaM) a kalmodulin jsou molekuly účastnící se signálů založených na Ca2+, jsou exprimovány více v dlouhých a ostrých zobácích kaktusových pěnkav než v robustních zobácích ostatních druhů. Když je gen pro kalmodulin overexprimován ve frontonasálním výběžku u kuřete, vede to k prodloužení zobáku stejně jako u kaktusových pěnkav. Dalším genem, který ovlivňuje tvar zobáku, je Bmp4, jehož exprese v mezenchymu silně koreluje s hloubkou a šíří zobáku. Změna exprese u kuřete vede ke změně morfologie podobně jako u pěnkav. Lokalizace těchto genů u pěnkav není známa, ale u kuřete jsou na autosomech, a protože karyotyp ptáků je stabilní, je pravděpodobné, že u pěnkav je to stejné.
Způsobuje evoluci morfologie mutace v kódující nebo regulační sekvenci? Jsou známy příklady obojího, např. gen pro receptor melanocortinu 1 (Mc1r) má aktivující mutaci v kódující oblasti, která se projevuje melanismem (pozorováno u ptáků, jaguára a pytloušů (hlodavci). Výskyt této mutace zřejmě umožnil fakt, že gen je exprimován pouze v pigmentových buňkách, takže změna exprese není život ohrožující. V případě změn morfologie u koljušek, u genu Pitx1 nebyla pozorována mutace v kódující oblasti, ale změnil se pattern exprese. U larev druhu s aparátem je gen exprimován v mnoha strukturách včetně budoucí pánevní oblasti. U druhu bez pánevních struktur exprese v této části chybí. Čili v případě Pitx1 se patrně jedná o mutaci v kontrolní oblasti. Bylo prozkoumáno 64 lokusů vykazujících nejvyšší diverzitu mezi sladkovodní a mořskou formou koljušky. Ukázalo se, že 41% těchto lokusů leží v nekódujících oblastech genomu, kde mohou být regulační sekvence, 17% jsou mutace v kódujích oblastech, které mají za následek nesynonymní mutaci a nejvíc (73%) jsou sekvence ležící v kódujících i nekódujících oblastech, ovšem nemají žádnou aa substituci, kterou by se obě populace lišily, jejich role by tak mohla být regulační. Expresní studie zjistila, že ze 12 594 genů z celého genomu 2817 vykazuje rozdíly exprese mezi populacemi.
31
Z tabulky vyplývá, že řada znaků, které jsou zodpovědné za speciaci, je lokalizovaná na pohlavních chromosomech Z nebo X. Nejnápadnější je to u postzygotické izolace (sterilita hybridů, inviabilita hybridů a chyba v expresi genů u hybridů).
1) Dominanční teorie říká, že alely, které způsobují sterilitu a nebo inviabilitu hybridů se chovají recesivně. Proto XY/ZW hybridi trpí, zatímco jejich XX/ZZ sourozenci jsou chránění. Několik genetických analýz ukázalo, že recesivní alely způsobující inkompatibilitu jsou akumulovány rychleji, než ty dominantní. 2) Teorie rychlejšího samce tvrdí, že faktory způsobující sterilitu hybridních samců se akumulují rychleji než ty, které způsobují jiné problémy (tato teorie může být aplikována jen u XY skupin, ne pro ZW). Genetické studie toto potvrdily, ale není znám důvod. Možným vysvětlením je sexuální selekce, která vede k rychlému vývoji, a tedy i divergenci znaků spojených se samčím rozmnožováním, a tím dochází k jejich nekompatibilitě mezi druhy. U drozofily bylo ukázáno, že geny s vyšší expresí u samců mají rychlejší evoluci sekvencí a tím i divergenci. Ale je i možné, že spermatogeneze je mimořádně citlivá na genetické perturbance a u hybridů snadno dojde k jejímu narušení.
36
Při meiotickém drivu se určitá alela – driver, dostává preferenčně do další generace na úkor alely na homologním chromosomu, a dochází tak k odchýlení se od volné segregace. Meiotický drive je charakterizovaný jako různé formování/úspěch gamet a toto meiotické/gametické selhání
vede ke snížení fertility. Snížená plodnost sice postihuje fitness organismu, ale driver se bude šířit. Driver alely také mají tendenci vyskytovat se v inverzích nebo dalších oblastech s redukovanou rekombinací, což může vést k hitchhikingu nevýhodných mutací, které budou lokalizované poblíž driveru a budou jím protlačeny do další generace. Drivery lokalizované na pohlavních chromosomech mohou silně vychýlit poměr pohlaví, což může vést až k extinkci. Tato všeobecná nevýhodnost driveru vede k tvorbě supresorů, které jsou přítomny ve většině známých systémů meiotického drivu. Hybridizace pak vede k tomu, že se drivery uvolní z kontroly supresorů a způsobí sterilitu heterogametického pohlaví. Typů MD je několik, z hlediska sterility samčích hybridů je nejvýznamnější driver na X. Ten povede ke kompetici mezi alelami během vývoje spermií a tím ke zvýšení počtu spermií s X (spermie s Y buď nevznikají, nebo nejsou schopné oplození). Mutace způsobené touto kompeticí mohou zvýšit rozdíly mezi druhy a tím způsobit sterilitu hybridů. Distorteři mohou být na autosomech, kde ale snáze uniknou pozornosti, protože není vychýleno pohlaví. Proč vznikají drivery hlavně na X chromosomu? Teorie (protože kolik je autosomálních driverů není jasné, protože při nich chybí vychýlený poměr pohlaví): Driver se nesmí dostat do vazby s cílem, jinak by bojoval proti sobě – je tedy potřeba vyvinout restrikci rekombinace (nebo vzniknout ve stávající inverzi), ale mezi X a Y už restrikce rekombinace je. Supresory se naopak spíše vyvinou na autosomech nebo na Y, a vracejí poměr pohlaví zpět. Jakmile je driver umlčen, může vzniknout další, čili jeden genom může nést řadu
dvojic driver-supresor. Redukce fertility je běžný vedlejší produkt těchto závodů ve zbrojení, snad tím, že rychlá evoluce postihuje více geny účastnící se spermatogeneze. Protože jsou drivery často na X, může být MD jedním z vysvětlení rychlé evoluce X (largeX efffect).
37
Poslední dobou přibylo empirických studií spojujících MD a sterilitu hybridů (nejvíce mezi druhy drozofil), ale přesný mechanismus je znám jen u mála z nich. Většina drive systémů funguje tak, že spermie s cílovou alelou vůbec nevznikají (alternativou by bylo, že nejsou schopné oplození), mechanismem je třeba fragmentace chromosomu Y (autosomální segregation distorted u drozofily a t-haplotype u myši zabíjejí gamety). Příkladem genu způsobujícího MD a samčí sterilitu je Overdrive, což je transkripční faktor regulující geny ve vývoji drozofily. Byl objeven při křížení D. pseudoobscura bogotana (samice) a D. pseudoobscura pseudoobscura (samec). Při tomto směru křížení vznikalo málo fertilních samců a ti měly výrazně vychýlený poměr pohlaví ve prospěch samic. U čisté linie bogatana je vliv Overdrive neutralizovaný autosomálním supresorem. Dvě recentní studie poskytly důkazy o roli driverů/supresorů v hybridní sterilitě: 1) D. mauritiana má na autosomu alelu too much yin (tmy), pokud je vnesena do D. simulans funguje jako driver a podílí se na sterilitě samčích hybridů. 2) U slabě fertilních samců F1 poddruhů D. pseudoobscura pseudoobscura a D. pseudoobscura bogotana byl nalezen driver na X, který způsobuje sterilitu. Aby drive vysvětloval LXE, musí být splněny 2 věci: 1) druhy musí nést několik fixovaných kryptických driverů a jejich supresorů. Hybridizace od sebe oddělí drivery a supresory, což působí sterilitu. Zpočátku se nedařilo drivery najít takže tato hypotéza byla zavržena, ale ukázalo se, že to bylo způsobeno nešťastným výběrem druhů, protože mnoho druhů drozofil drivery má a některé i více. D. simulans má nejméně 3 kryptické drivery, D. pseudoobscura bogotana má 1, zatímco D. melanogaster a D. seichellia nemají žádný. 2) Drivery se musí preferenčně shromažďovat na X. Populačně-genetické modely ukazují, že na X a Y mohou drivery nejsnáze invadovat populaci. V souladu s tímto byly drivery na X nalezeny u 12 drozofil, na autosomu jen
38
jeden. To ovšem může být způsobeno tím, že driver na autosomu lze odhalit jen pokud je náhodou asociovaný s nějakým markerem, kdežto na X se poznají podle vychýlení poměru pohlaví. Každopádně meiotické drivery se staly významným potenciálním vysvětlením LXE a Haldanova pravidla, i když ještě se musí ověřit, jestli dostatečně silným.
38
Protože samci nesoucí driver budou produkovat málo nebo žádné samčí potomstvo, samice jsou selektované na to, aby rozpoznaly takové samce a nepářily se s nimi. Pokud je driver spojen s nějakým znakem, vede to k zrychlení sexuální selekce. U myši a stopkooček je samice schopná rozpoznat samce s driverem a dá přednost samci bez driveru. Samice stopkooček Cyrtodiopsis dalmanni a C. whitei dávají přednost samcům s delšími očními stopkami a očima dál od sebe, což jsou markery samců bez driveru. U Cyrtodiopsis dalmanni je driver na X ve vazbě genem řídícím rozpětí očí, ale i genem řídícím délku spermií (obojí má distorter menší než samec bez driveru). Samice si v rámci závodů ve zbrojení vyvinuly i postkopulační mechanismus, jak rozlišovat samce, mají totiž delší pohlavní cesty, takže delší spermie zvyšují šanci na oplodnění (páření jedné samice se samcem s a bez distorteru – samec bez driveru je úspěšnější v produkci potomstva). Protože driver je v oblasti s inverzí, stejně tak i oba sexuálně selektované geny, tato oblast chromosomu s driverem nerekombinuje. U ostatních chromosomů X, které inverzi a driver nenesou, se mohou oba geny vyvíjet a kombinovat žádoucím směrem, aniž by to mělo vliv na X s driverem.
Může mít dvě příčiny: 1) X je hotspot pro speciační geny, 2) sterilita hybridů je způsobena jednoduše dominančním efektem (většina alel speciačních genů je recesivních – projeví se v samci, ty na autosomech zůstanou zamaskované). Aby se tyto dva efekty odlišily, je potřeba podrobné zamapování speciačních genů, kde bude známa dominance a bude pod kontrolou. Za posledních 20 let se vyvinuly a nashromáždily introgresní studie. V nich jsou malé fragmenty chromosomů křížením přeneseny na pozadí genomu druhého druhu (opakované křížení s „background“ druhem, crossingover postupně zmenšuje žádaný úsek, označený markerovým genem), převedeny do homozygotního stavu a vyhodnocena sterilita a inviabilita. Dominance tu již nehraje roli, protože všechny testované lokusy jsou homozygotní. Je důležité používat podobnou velikost vnesených částí genomu, jinak může dojít k artefaktům.
40
41
Rychlejší evoluce X (faster X evolution) Teoreticky je několik důvodů, proč by se lokusy na X měly vyvíjet rychleji – lokusy na X a na autosomech mají rozdílné efektivní velikosti populací, mutační rychlost a efektivitu přírodní selekce. Modely ukazují, že výhodné mutace by se na X měly akumulovat, dokud budou aspoň částečně recesivní. Empirická data pro toto u drozofil jsou velmi neprůkazná. - Analýza genomů drozofil pro linage specific evolution ukázala v některých liniích maličko zvýšenou rychlost substituce v genech na X, ale v jiných liniích toto není. Nicméně geny, které vykazují vyšší expresi u samců vykazují vyšší adaptivní evoluci proteinu pokud jsou na X. To ovšem nevysvětluje 4x vyšší výskyt faktorů způsobujících samčí sterilitu na X.
42
Regulace chromosomu X v samčí zárodečné linii Dalším potenciálním vysvětlením LXE (large X effect, velký efekt X) je regulace X v zárodečné linii samců. Během raných fází spermatogeneze je X transkripčně inaktivované a kondenzuje dříve než autosom. Inaktivace X je pro zdárný průběh spermatogeneze důležitá a pokud je narušena, vede to ke sterilitě. Důkazem je práce, kde 75% reciprokých translokací X;A u D. melanogaster způsobuje dominantně sterilitu, zatímco translokace mezi autosomy nebo Y;A ne (samice zůstávají plodné bez ohledu na chromosomy v translokaci). Inaktivace X v spermatogenezi je dobře dokázaná u placentálů, vačnatců a sarančat a hlístic, ale u drozofil byla zpochybňována. Hense et al. udělali 47 transgenních linií s reportérovým genem pod promotorem specifickým pro spermatogenezi. Pokud byl konstrukt vložen na autosom, transkripce byla OK, pokud byl na X, byla nižší, takže k inaktivaci X u drozofil zřejmě dochází. Porucha v inaktivaci X by tak mohla být dalším mechanismem Haldanova pravidla. Při křížení dvou druhů by mohlo dojít k introgresi kusu X na X druhého druhu, tato část však nebude rozpoznána jako X a nedojde k inaktivaci, podobně jako u X;A translokaci. Geny na X, které jsou normálně umlčené, by tak např. mohly být exprimované v nesprávnou chvíli. To bylo i ukázáno na hybridech drozofil, kde v testes hybridů byla chybně exprimovaná jen malá část genů (9%), zatímco u X-linked byla overexprimováno 34-55%. Druhou možností jak změnit regulaci X je zásah do kompenzace genové dávky. Spermatická inaktivace X a kompenzace genové dávky potřebují nějak poznat chromosom X a pak ho správně regulovat. Pokud je molekulární podstata rozpoznání X a regulace různá u křížených druhů, může dojít k chybě v procesu.
43
Hybridi blatnic Spea multiplicata and S. bombifrons Severoamerické blatnice běžně hybridizují. Byla testována úspěšnost pulců hybridů v konkurenci s rodičovskými druhy v získávání potravy. Oba druhy mají 2 morfy, jedna je dravá a žere ve volné vodě korýše, druhá je všežravá a hledá v detritu. Pokud se oba druhy vyskytují samostatně, tvoří obě varianty, pokud společně, tak se specializují (S. bombifrons je dravá a S. multiplicata je všežravá). Hybridi tvoří řadu přechodných variant, což jim umožňuje konkurovat (a být lepší) jak dravým S. bombifrons tak všežravým S. multiplicata. V tomto případě tedy hybridi nemají sníženou schopnost využívat niky svých rodičů, ale naopak umí je využívat obě. Nicméně hybridi mají sníženou fitness kvůli nekompatibilitám obou genomů, takže se u nich vytváří reprodukční bariéra – reinforcement, kdy samice poznávají své samce podle zpěvu (výrazný pokles hybridů za posledních 30 let.)
Systém Pelophylax esculentus Skokan zelený (Pelophylax esculentus) vznikl a stále vzniká hybridizací druhů P. ridibundus (RR) a P. lessonae (LL). Hybridi jsou primárně diploidní. V západní části areálu LR vylučuje L genom a tvoří R gamety, které po oplození RR hynou kvůli homozygotním mutacím v R genomu, proto pro tvorbu další generace potřebuje oplození LL jedincem. Ve východní Evropě je to naopak. LR vyloučí R a dělá L gamety, žije a páří se s RR. V obou případech je hybrid v nevýhodě proti rodičům, protože hybridova zárodečná linie je klonální a rekombinovaný genom musí být získáván každou generaci pářením s rodičovským druhem. Kromě toho existuje čistá populace hybridů, která žije a množí se bez přítomnosti rodičovských druhů, čili musí se postarat i o jejich propagaci a rekombinaci. Tyto populace obsahují diploidy LR, triploidy LLR a RRL. Jedinci LLR dělají L gamety, RRL R gamety. Z diplodů všichni samci a některé samice dělají R gamety a všechny samice a někteří samci dělají neredukované LR gamety, což udělá triploidy při fúzi s haploidní gametou. Nehybridní LL a RR také vnikají, ale hynou ve stádiu pulce. Čili mix di- a triploidních hybridů zajišťuje produkci všech potřebných gamet. Ukázalo se, že triploidi dokáží produkovat rekombinované genomy a to rekombinací dvou stejných genomů (LL nebo RR). Skokan zelený je odolnější proti plicním parazitům než rodičovské druhy (Rhabdias bufomis- hádě ropuší – parazitická hlístice (Nematoda) a motolice Haplometra cylindracea .
47
48
