na cestě K integrovanému přístupu pochopit Mexické cavefish evoluce

Úvod

Mexické tetras v řekách Střední Ameriky a v jeskyních střední Mexiko jsou téhož druhu: Astyanax mexicanus. První z nich jsou „divoké“ vícebarevné tropické Sladkovodní Ryby. Jedná se o „přirozené mutanty“, kteří žijí v úplné a trvalé tmě a postrádají oči a pigmentaci (obrázek 1). Najdete je ve 30 krasových jeskyních v omezené oblasti Mexika . Dva typy morphs může chovat a dávají plodné potomstvo, a cavefish z různých jeskyně jsou také inter-úrodné . Proto po drastické a náhlé změně prostředí došlo k jejich fenotypovému vývoji rychle během asi 20 000 let a pravděpodobně stále pokračuje. Za zmínku, na základě morfologických rozdílů, povrchové a jeskynní morfy byly původně navrženy jako různé druhy a dokonce i rod, a ryba bez očí dostala jméno Anoptichthys jordani . Speciace mezi těmito dvěma morfy může být na cestě, ale dosud se to nestalo, na základě kritérií mezi plodností.

A. mexicanus systém představuje mnoho výhodných vlastností a objeví vynikající modelový systém pro studium evoluční síly (distální mechanismy) a evoluční mechanismy (proximální mechanismy) základní morfologické, behaviorální a fyziologické adaptace v reakci na změny životního prostředí. Při srovnání s jinými rybami, jako kobylek, cichlidy nebo síh, které také prošly posledních záření a výrazně přispěl k evoluční biologii , A. mexicanus cavefish prošel výraznou selektivní tlak a extrémní morfologická evoluce. Zjevné výhody tetras jsou poznatky, které lze získat do pochopení toho, jak cirkadiánní rytmy ovlivňují fyziologii a jak ostatní smysly kompenzovat ztrátu zraku. Behaviorální a genetické základy jejich zdánlivě snadné osídlení jeskyně—když ve srovnání s jinými endemické druhy ryb žijící v Mexické řeky—někdy nazývá ‚pre-úpravy‘, mohou být studovány. Navíc model cavefish, stejně jako jiné evoluční modely ryb, splňuje předpoklady pro jakýkoli výzkum: vstoupil do éry genomu, lze jej chovat a manipulovat relativně snadno a jeho populační biologie byla studována po celá desetiletí .

Několik recenzí, včetně knihy o biologii Mexické cavefish přispěvatelů z celého Astyanax vědecké společenství, které byly nedávno zveřejněny , zabývající se všemi aspekty cavefish evoluční biologie. Místo toho, konkrétně přezkoumává jeden aspekt, zde se budeme soustředit na kombinování přístupů pro lepší pochopení cavefish evoluce a osvětlit evoluční mechanismy obecně.

na cestě K integrovanému přístupu

Vědci z Mexické cavefish mají různé disciplinární pozadí: genetika, vývojová biologie, neurovědy, fyziologie, metabolismus, genomika, populační biologie, ekologie, jeskyně biologie nebo speleologii. Integrovaný přístup je v podstatě multidisciplinární metodou analýzy, při níž je jev zkoumán z několika úhlů (obrázek 2). V kobylek, například, kombinace populační biologie, kvantitativní genetiky a vývojové biologie odhalila výrazně konvergentní procesy vyskytující se v nekódující regulační sekvence vývojové transkripční faktor (Pitx1) a základní morfologické evoluce (ztráta pánevní páteře) více sladkovodních populací z mořských předků . Tady, uvádíme příklady otázek, které silně těží z integrovaného přístupu v systému cavefish.

(a) Vývojová biologie a genetika: vývoj očí a ztráta

typická otázka na hranicích těchto dvou disciplín je vývoj očí a ztráty, tj. mechanismy morfologické evoluce. Tento problém byl poprvé zkoumána prostřednictvím kříže mezi povrchem a cavefish nebo mezi cavefish pocházející z různých jeskyní . Hybridy F1 z povrchu jeskyně mají mírně snížené, ale funkční oči, což naznačuje, že jeskynní alely jsou většinou recesivní. Někdy, F1 hybridy vytvořené od rodičů pocházejících z různých jeskyní rozvíjet malé oči, a takové částečné doplnění naznačuje, že odlišné geny jsou ovlivněny v různých jeskyních, zvýraznění konvergentní evoluce . Kvantitativní analýza loci znaků (QTL) ukazuje, že kontrola velikosti očí v rodinách F2 je komplexní vlastnost zahrnující 12-15 lokusů . Jako jeskynní alely u každého oka nebo čočky QTL způsobují snížení velikosti, autoři navrhli, že ztráta očí se vyvinula přirozeným výběrem, spíše než driftem. Nedávná studie zkoumá cavefish degenerace sítnice v souvislosti s QTL mapování identifikovány čtyři regiony, každý zapojených v kontrole tloušťky jednu nespornou retinální vrstvy, a ve kterém několik kandidátských genů, většinou odpovídající vývojové transkripční faktory a regulátory, byly identifikovány .

Z hlediska vývojové biologie, cavefish oční degenerace je vyvolána defektní embrya čočky, která se rychle stává apoptotických a způsobuje zhroucení celého oka . Apoptóza čočky je nepřímo způsobena zvýšením signalizace Shh (Sonic Hedgehog) z embryonální středové linie . Je nejdůležitější, zvýšení Shh signalizační také ovlivňuje pleiotropically jiných tkání budoucí hlava a mozek: čelisti velikosti a chuti bud čísla jsou zvýšené , čichové placode je zvětšená na úkor lens placode , preoptic regionu a hypotalamu v mozku jsou zvětšené, částečně na úkor ventrální sítnice , a vývoj se výrazně změnil . Tato zjištění naznačují, že nepřímý výběr by mohl fungovat během vývojového vývoje ztráty očí u cavefish, tj. že oči by byly ztraceny jako sekundární vedlejší poškození vyplývající z konstruktivního vývoje dalších prospěšných vlastností. Přístup evo-devo a genetický přístup se proto sbíhají v navrhování výběru, který působí jako jeden z distálních mechanismů, které jsou základem ztráty očí. Poznámky, další důkazy ze studií molekulární evoluce vývojových transcriptome naznačuje, genetický drift jako mechanismus pro oko ztráty: v cavefish, radikální mutace (tj. dává vzniknout aminokyseliny s odlišnými fyzikálně-chemické vlastnosti ve dvou morphs) jsou nadměrně zastoupeny na oko genů, což může být vysvětleno tím, že uvolněná výběr pro vidění během vývoje za nepřítomnosti světla . Proto pravděpodobně existují dvě složky, které jsou základem ztráty očí u cavefish: výběr (přímý nebo nepřímý) ke zlepšení přežití ve tmě a drift náhodnou akumulací mutací v „očních genech“, které nejsou proti výběru .

b) Vývojová biologie a chování: vůně, snímání a spánek

embryogeneze probíhá hierarchickou kaskádou událostí začínajících před fekundací. Změny tvaru mozku a následně funkce by mohly vzniknout přirozeným výběrem působícím na různých úrovních během embryogeneze: produkty mateřských genů v oocytech, exprese morfogenů a vzorování genů a načasování buněčné proliferace/diferenciace. Vznik nových chování prostřednictvím vývojových variací je nezbytný pro evoluční záření . Nedávné pokroky v sekvenování, editace genomu a transgeneze pomáhají odhalit molekulární mechanismy této evoluce. Studium variací v regulačním genomu a epigenomu v blízké budoucnosti osvětlí mechanismy spojující genovou funkci a vývoj vývoje.

diferenciální behaviorální výkony mohou vycházet ze smyslových specializací, které mají vývojový základ. Souběžně s regresí očí se cavefish vyvinul větší čichový epitel, smyslové orgány specializované na detekci molekul souvisejících s krmením a reprodukcí. Rozšíření v embryonální tkáně osudem jako čichový epitel výsledky z jemné změny ve výrazu signální molekuly Bmp4 a Ticho v embryonálním prechordal mesoderm. Souběžně, behaviorální testy prokázaly pozoruhodné čichové schopnosti cavefish . Zvýšená čichová citlivost pravděpodobně není určena pouze velikostí smyslového orgánu a vývojovou plasticitou a k této adaptaci musí také přispět změny v centrálním zpracování .

Některé cavefish populace vyvíjely vibrace přitažlivosti chování (VAB) na oscilující objekty ve vodě, zprostředkované neuromasts boční linie, zejména těch, které se nachází na suborbitální oční oblasti . Numerické rozdíly v neuromastech se objevují v larválních stádiích, ale embryologické a genetické základy pro takové modifikace zůstávají neznámé. Zvýšený počet neuromastů v optické oblasti může být důsledkem degenerace očí, ale to je nezávislé na pleiotropní Hypersignalizaci Shh vedoucí k regresi očí .

další behaviorální adaptací cavefish je ztráta spánku . Spánek je reverzibilní stav zvýšeného prahu vzrušení a klidu. Jeho trvání a intenzita se u jednotlivých druhů značně liší, v závislosti na ekologických proměnných a evoluční historii . Je regulován denním světlem-tmavým cyklem (nepřítomným v jeskyních), stejně jako smyslovým zpracováním a metabolickou rovnováhou . Hypersenzitivita neuromastu se podílí na ztrátě spánku u cavefish . Hypotalamický hypocretin / orexinergní systém má zachovanou roli v regulaci cyklu spánku / bdění u obratlovců . Vyšší hypocretin výraz úrovní a počty neuronů byly hlášeny u dospělých cavefish ve srovnání s povrchu ryby, a funkční testy potvrdily, že zvýšená orexinergic neurotransmise je spojena s spánku-ztráta fenotypu . Neuroanatomické variace v hypocretinovém neuronálním klastru existují od časné embryogeneze, vyplývající z morfogenních modulací na konci gastrulace . Vývojové manipulace snižující počet hypocretinových neuronů u jednotýdenních larev snižují aktivitu těchto larev a napodobují povrchové ryby. To ukazuje, že vývojové evoluce hypocretin clusteru dopady cavefish chování. Rovněž byly zaznamenány rozdíly v tvorbě dalších hypotalamických neuronálních systémů (neuropeptid Y (NPY), proopiomelanokortin) a musí být prozkoumán jejich příspěvek ke změnám chování.

(c) Chování, genetika a funkční genomika: identifikace mutace v cavefish

Cavefish zobrazit více behaviorální rysy, které jsou odlišné od povrchu ryby, a ty se zdají být výhodné pro život v podzemní stanoviště, a byly pravděpodobně vybrány pro. To znamená, že mají genetický základ.

QTL přístupy ukazují, že ztráta spánku , ztráta vzdělání , speciální krmení držení těla s úhlem 45° k podkladu a VAB mít multi-genové determinismu, jako F2 ryby vyplývající z křížení mezi dvěma F1 hybridy představují různé úrovně těchto chování. Bylo identifikováno několik intervalů QTL, umožňující mapování genomických oblastí spojených s konkrétním chováním. Oblasti související s kontrolou spánku / pohybové aktivity a VAB jsou různé . Navíc, QTL analýza naznačuje, kandidátské geny, jako je narkolepsie-spojené tp53-indukovatelných proteinů gen, potenciální regulátor spánku se nachází v QTL intervalu identifikován jako regulace pohybové činnosti .

někdy může studie samotných behaviorálních fenotypů navrhnout kandidátské geny. Například, Tinaja cavefish hyperfagie navrhl vyšetřuje leptinu cestou, která vedla k identifikaci mutace v genu Mc4r (melanokortinový 4 receptor) gen . Nebo, účinek deprenyl (inhibitor serotoninu degradace) na agresivitě, spolu s komparativní neuroanatomical analýzy, jíž serotonergní systém v agresivitě rozdíly mezi dvěma morphs, a označila mutace v MAO (monoaminooxidázy) enzymu . Proto je studium behaviorálních fenotypů, ale také neurochemické a neuroanatomical studie, umožňuje lepší cílení kandidátské geny zodpovědné za změny v chování mezi dvěma morphs.

jakmile je identifikován kandidátský Gen, funkční genomika by měla testovat roli genu v kontrole chování. Když cavefish a povrchové ryby mají různé alely, kříže nebo genom vydání CRISPR / Cas9 lze použít k vložení povrchové alely do cavefish a naopak. Když se Gen liší, pokud jde o úroveň exprese mezi jeskynními a povrchovými rybami, lze dosáhnout inaktivace nebo nadměrné exprese. Například Gen hypocretinu je nadměrně exprimován v cavefish. Knock-down jeho výraz morpholinos prokázal svou účast na ztrátě spánku v cavefish .

behaviorální studie, genetika a funkční genomika identifikují genetické základy změn chování. Pak, zajímavé příspěvky mohou vyplynout z populačních a fylogeografických studií k vypracování hypotéz o evoluční historii znaku. Například, distribuce mutovaných alel Mc4r mezi jeskyně a řeky naznačuje, že odvozené alely vstoupil do jeskyně od stálého genetické rozdíly existující v povrchové ryby v době jeskyně kolonizace (viz také §2d). Poznámky, genetické základny jsou jednou z několika možných proximální příčiny chování, rozdíl mezi oběma morphs. Musíme také studovat účinky samotného prostředí (např. nepřítomnost světla, vodní fyzikálně-chemické parametry nebo trofická podpora), odpovídající potenciálnímu zapojení fenotypové plasticity nebo epigenetických mechanismů.

(d) Genomika a populační biologie: obrysu zpět evoluční historie

jeskyní hosting cavefish mají širokou distribuci a byly rozděleny do tří skupin: El Abra, Guatemala a Micos skupin. Evoluční historie a původ těchto populací jeskynních ryb jsou stále špatně pochopeny. Zatímco spíše starověkého původu, před miliony let, na cavefish populace se obecně uvádělo v literatuře, nedávné analýzy a modelování pomocí dvou nezávislých souborů dat (mikrosatelitů a jednonukleotidové polymorfismy) naznačují, že cavefish napadl jeskyně méně než 25 000 lety . Takový nedávný původ by měl být ověřitelný a měl by mít zajímavé důsledky z hlediska populačních genomických přístupů. Výsledky by měly být srovnatelné s výsledky získanými v systému threespine stickleback (např. ). Za prvé, nedávný původ a rychlý vývoj cavefish znamená, že fenotypová evoluce spoléhal hlavně na fixaci genetické varianty již existující v rodové povrch populace (oproti románu mutace vzniklé, což zabere více času), a mnoho z nich by mělo být stále nalézt v dochovaných povrchu ryby. Celogenomových skenů by měla být provedena na úrovni populace odhadnout sdílený polymorfismus , ale už máme jeden příklad takového případu: bod mutace popsané v Mc4r, a je zodpovědný za zvýšenou chuť k jídlu v některých cavefish populace, bylo zjištěno, že při nízké frekvenci (3%) v řece-obydlí fyzických osob . Za druhé, nedávný původ také znamená, že gen ztráta/pseudogenization by neměl čas dojít, výrazně na oko genů, které nejsou counter-vybrané ve tmě. K potvrzení této skutečnosti jsou také zapotřebí průzkumy vysoce kvalitních genomů v celém genomu, ale zdá se, že publikované údaje tuto předpověď podporují: cavefish crystallins a opsins nevykazují velké ztráty funkce mutací v jejich kódující sekvence, které mají být ve srovnání, například, s dvěma crystallins a dva opsins, které jsou inaktivovány/chybí v nahý krtek krysa genomu . Za třetí, pokud cavefish populace jsou mladí, mělo by být možné najít stopy výběr genomu-široký přes selektivní sweep analýzy. Selektivní sweep je fixace alela přes výběr, a fixace neutrální alely v úzce propojených loci prostřednictvím genetické autostop, což vede ke snížení genetické rozmanitosti kolem pozice podle výběru. Takové analýzy lze provést pouze tehdy, pokud je výběr nedávný; jinak vznikají nové polymorfismy s časem a maskují zametenou oblast . Populační genomické přístupy jsou opět slibné, jako alternativa / doplněk k přístupům QTL, k identifikaci lokusů pod selekcí během fenotypové evoluce cavefish.

(e) Od populační biologie, chování a genetika: zvýraznění místní úpravy

Tam jsou 30 popsané jeskyně populace A. mexicanus, pojmenované po jeskyni, kde žijí . Všechny populace jsou slepé a depigmentované, ale těchto nápadných fenotypů je dosaženo alespoň částečně konvergencemi. Soubor genů podílejících se na oční degenerace není totožný v různých jeskyně obyvatel (§2a), a mutace/delece v Oca2 (oční a kožní albinismus 2) zodpovědný za albín fenotyp, nejsou stejné v Molino (Guatemala skupiny), Pachón nebo Japonés (jak z El Abra group) jeskyně . Jiné, méně zřejmé fenotypy také vykazují významné rozdíly mezi jeskyněmi. VAB je přítomen v Pachón a Sabinos cavefish (oba z El Abra group), ale nemá stejné rodičovské genetický determinismus, otcovské nebo mateřské dědictví, v těchto dvou populací . Některé jeskynní populace navíc vykazují VAB (Pachón, Sabinos, Piedras), ale některé ne (Molino). A konečně, malá část povrchu ryby vykazují slabé formě VAB, což naznačuje, že povrch předků se stal přizpůsobeny jeskyní pozitivní výběr pro VAB, následuje pokračoval výběr pro zesílení tohoto chování a jeho základní senzorické receptory, neuromasts . Podobné fenotypové variace existují pro spánek, agresivitu nebo chování při krmení mezi populacemi jeskyní. Různé stupně evoluční odvozené spát snížení jsou popsány v Pachón, Tinaja, Molino, Sabinos a Chica populace , ale tato funkce je závislá na senzorických vstupů od postranní čáry pouze v Pachón populace , což znamená, že fenotyp, může se objevily různé mechanismy. Ztráty územní a hierarchické agresivita—povrch ryby punc—je popsáno v Pachón cavefish, zatímco Molino cavefish mít zachovány určité míry agresivity , a to fenotypových rozdíl může být ve vztahu k přítomnosti nebo nepřítomnosti MAO mutace v genomu těchto dvou populací . Zvýšená chuť k jídlu Tinaja cavefish není vidět v Pachón cavefish, možná souvisí s přítomností nebo nepřítomností mutovaných alel Mc4r v jejich genomech . Tyto příklady zdůrazňují komplexní vztahy genotyp / fenotyp a komplexní původ populací Astyanax cavefish. Každá jeskyně se zdá být zvláštní případ, pokud jde o fenotypu a kombinace alel a možné scénáře vysvětlit allelickou rozdělení z hlediska původu, migrace a genových toků bude vyžadovat další úsilí v populační biologie a populační genomika. Rovněž bude třeba analyzovat dopad specifických prostředí nalezených v každé jeskyni, protože podceňovaná rozmanitost v různých jeskyních (např. přítomnost/nepřítomnost netopýrů, šelem nebo povrchu ryby, trofické podporu, vody do povodněmi nebo perkolačním, obrázek 1), může dobře přispět k výběru a fixaci různých alel, v závislosti na místní ekologické podmínky.

(f) Zpět do práce v terénu a ekologie druhu

Navzdory skutečnosti, že 30 cavefish jeskyně jsou popsány a relativně dostupné , několik laboratorní nálezy byly potvrzeny experimenty v přírodě. Ověřování výkladů o posuzování divoký životní cyklus a jeskyně ekologie je důležité, aby se zabránilo mis-/nad-interpretace a pochopit ekologické rozmanitosti jeskyní, které mohou souviset s genetické a behaviorální rozdíly (obrázek 1).

Podzemní stanoviště přijímat energii z vnějších zdrojů (netopýří kolonie, hmyz, proud a prosakující vody účtovány s mikrofaunou, částic a organického uhlíku) . Zásoby potravin se liší v závislosti na ročním období a lokalitě, proto variabilní obsah uhlíku bahna v různých jeskyních . Nicméně, vyšetření divokých cavefish obsahu střeva obsahující netopýří trus, bláto, plankton, hmyz a kongeneru fragmenty v různých ročních obdobích navrhl, dobře živené dospělé s non-specializované dietní režim v Chica, Sabinos, Subterráneo a Pachón jeskyně . Pachón cavefish růstu je srovnatelná s jejich povrch jedinci stejného druhu a zdravé mladiství s trávicí systém obsahující velké množství a druhů mikro-členovci jsou nalezeny , což naznačuje vynikající lovecké schopnosti v slepé smažit, jako v laboratorních podmínkách . Subterráneo divoké cavefish více reagují na čichové podněty, než eyed hybridy žijící ve společné domácnosti v jeskyni , což naznačuje, že čichové schopnosti popsané v laboratoři jsou také v práci v přirozeném prostředí. VAB nebo akustické schopnosti by měly být zkoumány také v několika jeskyních, protože dovednosti při hledání potravy mohou záviset na jeskynních ekosystémech.

laboratorní a divoké jeskynní ryby mají vyšší obsah tuku než povrchové ryby (s Rétaux 2004-2018, osobní pozorování). Metabolismus Cavefish je také modifikován na cirkadiánní úrovni. V divoké Chica cavefish, ale ne u laboratorních zvířat stejného původu, nízká výraz úrovní oscilační gen období1 jsou spojeny s zrušeny rytmické funkce, což naznačuje, že ‚cavefish zkušenosti trvalé světlo místo věčné tmě‘ . Změny cirkadiánního rytmu jsou běžnou vlastností jeskynních zvířat a mohou přispět k úspoře energie snížením metabolické poptávky . Konečně, hypotézy o genetické omezení ve velikosti těla (wild Pachón cavefish zdá, že mají menší maximální velikostí než Tinaja a Subterráneo) na nižší energetické výdaje a potřeby potravin musí být ještě prozkoumány . Tyto studie na divokých exemplářích osvětlují mnoho modifikací komplexních funkcí, které se mohly vyvinout v různých populacích jeskyní.

longitudinální vyšetřování je také zapotřebí k lepšímu pochopení životního stylu cavefish. Jeskynní ryby se v laboratořích snadno chovají, přesto je málo známo o jejich reprodukčním cyklu a páření ve volné přírodě. V jeskyni Chica, Bridges popsal velké ženy s vejci a malými exempláři, které odhadoval na méně než měsíc, jak je uvedeno v . Období sucha bylo navrženo tak, aby odpovídalo období chovu jeskynních ryb, což je v souladu se zprávou o mladistvých v Pachónu v březnu 2016 . Pokud se potvrdí, to by naznačovalo ‚synchronizovat‘ chovné sezóně od Jihu k Severu Sierra—se liší od Severní Ameriky Amblyopsid cavefish, které plemeno po jarních povodních, které zavádějí jídlo do jeskyně . Jako laboratorní tření v Astyanax cavefish a povrch ryby je vyvolané rozdíly v teplotě vody , následující denní a celoroční klimatické změny v jeskyních bude mít zásadní význam.

i Přes zjevné potíže provádět experimenty v terénu, směrem k plně integrativní a multidisciplinární přístup k lepší zadržet cavefish evoluce vyžaduje další práci v terénu. Zejména je nezbytné vzít v úvahu specifické ekologické rysy různých jeskyní nebo různých rybníků v jedné jeskyni. To by umožnilo vytvoření mesocosm studovat cavefish chování a životního stylu ve více přírodní podmínky, a také provést další dlouhodobé umělé evoluce studium na povrchu ryby.

závěr

tento přehled zdůrazňuje důležitost zvažování evoluce cavefish z více úhlů. Takový podnik se může někdy zdát dlouhý a obtížný, ale věříme, že se ukáže, že bude prospěšné a bystré pochopit tajemství adaptací cavefish na jejich prostředí. Obrovský rozdíl v podmínkách prostředí, zažívají povrch a jeskyni morphs, existence více, rychle se vyvinuly jeskyně populace, různé fenotypy vystavoval cavefish na morfologické, fyziologické a behaviorální úroveň, experimentální amenability vystavoval druhů, aby Mexické tetras primární ryb modely odpovědět širší evoluční otázky. Hlavní směry výzkumu budou zahrnovat rozluštění genetické a vývojové evoluční procesy, včetně typu a počtu genů, nebo zda kódování nebo regulační sekvence jsou ve hře pro morfologické evoluce. Fascinující otázky rovněž zahrnovat mechanismy, konvergence, nebo jak podobných výsledků může být důsledkem různých mechanismů, s důrazem na sílu genetické šťourat se v evoluci .

Přístupnost dat

tento článek neobsahuje žádné další údaje.

příspěvky autorů

recenzi napsali všichni čtyři autoři.

konkurenční zájmy

prohlašujeme, že nemáme žádné konkurenční zájmy.

finanční Prostředky

Práce ve skupině je podporován CNRS, FRM, UNADEV-AVIESAN, IDEEV a Ecos-Nord Francouzsko-Mexické exchange programu.

Poznámky pod čarou