Towards an integrated approach to understand Mexican cavefish evolution

Introduction

Mexican tetras in rivers of Central America and in caves of central Mexico are the same species: Astyanax mexicanus. Edelliset ovat ”villityyppisiä” monivärisiä trooppisia makean veden kaloja. Jälkimmäiset ovat ”luonnollisia mutantteja”, jotka elävät täydellisessä ja pysyvässä pimeydessä, ja heiltä puuttuu silmät ja pigmentti (kuva 1). Niitä löytyy 30 karstiluolasta rajoitetulla alueella Meksikossa . Kaksi tyyppiä morphit voivat lisääntyä ja antaa hedelmällisen jälkeläisen, ja cavefish eri luolissa ovat myös keskenään hedelmällisiä . Niinpä rajun ja äkillisen ympäristönmuutoksen jälkeen niiden fenotyyppinen kehitys tapahtui nopeasti noin 20 000 vuoden kuluessa ja on todennäköisesti edelleen käynnissä. Morfologisten erottelujen perusteella pinta-ja luolamorfeja ehdotettiin alun perin eri lajeiksi ja jopa suvuiksi, ja silmättömälle kalalle annettiin nimi Anoptichthys jordani . Lajiutuminen kahden muotin välillä saattaa olla tulossa, mutta sitä ei ole vielä tapahtunut, perustuen keskinäiseen hedelmällisyyteen.

A. mexicanus-järjestelmässä on monia hyödyllisiä piirteitä, ja se näyttää erinomaiselta mallijärjestelmältä tutkia evoluutiovoimia (distaalisia mekanismeja) ja evoluutiomekanismeja (proksimaalisia mekanismeja), jotka ovat morfologisten, käyttäytymismallien ja fysiologisten sopeutumien taustalla vastauksena ympäristön muutokseen. Verrattuna muihin kaloihin, kuten sticklebacks , siika tai siika, jotka ovat myös läpikäyneet viime aikoina säteilyä ja jotka ovat merkittävästi edistäneet evoluutiobiologiaa, A. mexicanus cavefish koki huomattavan valikoivan paineen ja äärimmäisen morfologisen evoluution. Tetrojen ilmeisiä etuja ovat oivallukset, joita voidaan saada ymmärtämään, miten vuorokausirytmi vaikuttaa fysiologiaan ja miten muut aistit voivat kompensoida näön menetystä. Niiden ilmeisesti helpon luolien kolonisaation käyttäytymistä ja geneettistä perustaa voidaan tutkia—verrattuna muihin Meksikon joissa eläviin endeemisiin kalalajeihin—joita joskus kutsutaan ”esisovituksiksi”. Lisäksi cavefish-malli, kuten muutkin kalojen evolutiiviset mallit, täyttää edellytykset mille tahansa tutkimukselle: se on tullut genomiaikaan, sitä voidaan jalostaa ja manipuloida suhteellisen helposti ja sen populaatiobiologiaa on tutkittu vuosikymmeniä .

viime aikoina on julkaistu useita katsauksia, kuten koko Astyanaxin tiedeyhteisön edustajien kirjoittama kirja meksikolaisen luolakalan biologiasta, joka käsittelee kaikkia luolakalan evoluutiobiologian eri puolia. Sen sijaan, että tarkastelisimme erikseen yhtä näkökulmaa, keskitymme tässä lähestymistapojen yhdistämiseen, jotta voisimme paremmin ymmärtää luolamaisen evoluution ja valaista evoluutiomekanismeja yleisesti.

kohti integroitua lähestymistapaa

meksikolaisten luolakalojen tutkijoilla on erilaisia tieteenaloja: genetiikka, kehitysbiologia, neurotiede, fysiologia, aineenvaihdunta, genomiikka, populaatiobiologia, ekologia, luolabiologia tai speleologia. Yhdennetty lähestymistapa on pohjimmiltaan monitieteinen analyysimenetelmä, jossa ilmiötä tarkastellaan useista näkökulmista (kuva 2). Esimerkiksi sticklebacksissa populaatiobiologian, kvantitatiivisen genetiikan ja kehitysbiologian yhdistelmä on paljastanut häkellyttävän konvergentteja prosesseja, joita esiintyy kehityksellisen transkriptiotekijän (Pitx1) ei-koodaavissa säätelysekvensseissä ja joiden taustalla on useiden makean veden populaatioiden morfologinen kehitys (lantion selkärangan menetys) meren esivanhemmilta . Tässä esitämme esimerkkejä kysymyksistä, jotka hyötyvät voimakkaasti cavefish-järjestelmän integroidusta lähestymistavasta.

(a) kehitysbiologia ja genetiikka: silmien kehitys ja menetys

tyypillinen kysymys näiden kahden tieteenalan rajoilla on silmien kehitys ja menetys, ts. morfologisen evoluution mekanismit. Ongelmaa tutkittiin ensin Pinta-ja luolakalojen tai eri luolista peräisin olevien luolakalojen risteytyksillä . F1-hybrideillä cave × surface-vanhemmilta on hieman pienentyneet mutta toimivat silmät, mikä viittaa siihen, että luola-alleelit ovat enimmäkseen resessiivisiä. Joskus eri luolista peräisin olevista vanhemmista syntyneille F1-hybrideille kehittyy pienet silmät, ja tällainen osittainen täydentäminen viittaa siihen, että eri luolissa vaikuttaa eri geenejä, mikä korostaa konvergenttia evoluutiota . Quantitative trait loci (QTL) – analyysit osoittavat, että silmien koon säätely F2-perheissä on monimutkainen ominaisuus, johon liittyy 12-15 lokusta . Koska luola alleelit jokaisen silmän tai linssin QTL aiheuttaa koon pienenemistä, kirjoittajat ehdottivat, että silmien menetys kehittynyt luonnonvalinta, eikä drift. Hiljattain tehdyssä tutkimuksessa, jossa tutkittiin cavefish-verkkokalvorappeumaa QTL-kartoituksen yhteydessä, tunnistettiin neljä aluetta, joista jokainen osallistui yhden erillisen verkkokalvokerroksen paksuuden säätelyyn ja joissa tunnistettiin useita kandidaattigeenejä, jotka vastasivat enimmäkseen kehityshäiriöitä aiheuttavia transkriptiotekijöitä ja säätelijöitä .

kehitysbiologian näkökulmasta kavefish eye degeneraation laukaisee viallinen alkion linssi, joka muuttuu nopeasti apoptoottiseksi ja aiheuttaa koko silmän luhistumisen . Linssin apoptoosi johtuu epäsuorasti Shh: n (Sonic Hedgehog) signaloinnin lisääntymisestä alkion keskiviivasta . Tärkeää on, että lisääntynyt Shh-merkinanto vaikuttaa myös pleiotrooppisesti muihin tulevaisuuden pään ja etuaivojen kudoksiin: leuan koko ja maku Silmun numerot kasvavat , hajuaisti laajentuu linssin placodin kustannuksella , etuaivojen preoptinen alue ja hypotalamus laajentuvat osittain ventraalisen verkkokalvon kustannuksella ja kehitys muuttuu merkittävästi . Nämä havainnot viittasivat siihen, että epäsuora valinta saattaisi vaikuttaa cavefishin silmähukan kehityskehityksen aikana, eli että silmät katoaisivat toissijaisina sivullisina vahinkoina, jotka johtuvat muiden hyödyllisten ominaisuuksien rakentavasta kehittymisestä. Siksi evo-devo-lähestymistapa ja geneettinen lähestymistapa ovat yhtäpitäviä ehdottaessaan valintaa, joka toimii yhtenä silmien menetyksen taustalla olevista distaalisista mekanismeista. Huomioitavaa on, että muut todisteet kehityksellisen transkriptomin molekyylievoluution tutkimuksista viittaavat geneettiseen ajautumiseen silmän menetyksen mekanismina: kavefishissä radikaalien mutaatioiden (ts. synnyttäen aminohapot, joilla on erilliset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet kahdessa morfissa) ovat yliedustettuina ”silmän geeneissä”, mikä voidaan selittää rennolla valikoitumisella näkökykyyn evoluution aikana valon puuttuessa . Cavefishin silmähävikin taustalla on todennäköisesti kaksi osatekijää: valinta (suora tai epäsuora) pimeässä selviytymisen parantamiseksi ja ajautuminen siten, että sattumanvaraisesti kertyy mutaatioita ”silmän geeneissä”, jotka eivät ole vastavalittuja .

(b) kehitysbiologia ja käyttäytyminen: haju, aistiminen ja nukkuminen

Embryogeneesi etenee hierarkkisen tapahtumaketjun kautta, joka alkaa ennen hedelmällisyyttä. Aivojen muodon ja siten toiminnan muutokset voivat johtua siitä, että luonnonvalinta vaikuttaa eri tasoilla alkiogeneesin aikana: äidin geenituotteet munasolussa, morfogeenien ja kuviointigeenien ilmentyminen sekä solujen proliferaation/erilaistumisen ajoitus. Uusien käyttäytymismallien syntyminen kehityshäiriöiden kautta on olennaisen tärkeää evoluutiosäteilylle . Viimeaikaiset edistysaskeleet sekvensoinnissa, genomin muokkauksessa ja transgeneesissä auttavat purkamaan tämän evoluution molekyylimekanismeja. Säätelygenomin ja epigenomin variaatioiden tutkiminen lähitulevaisuudessa valottaa geenien toiminnan ja kehityksen evoluution yhdistäviä mekanismeja.

differentiaaliset käyttäytymissuoritukset voivat johtua aisteihin erikoistumisesta, jolla on kehityksellinen perusta. Silmän regression rinnalla luolakala kehitti suurempia hajuaisteja, jotka ovat ruokintaan ja lisääntymiseen liittyvien molekyylien havaitsemiseen erikoistuneita aistinelimiä. Alkiokudoksen laajentuminen, joka tapahtuu hajuaistina, johtuu merkkimolekyylien bmp4 ja Shh hienovaraisista muutoksista alkion prechordal mesodermin ilmentymisessä. Samaan aikaan käytösmääritykset ovat osoittaneet luolakalan huomattavan hajuaistin . Lisääntynyt hajuaistin herkkyys ei todennäköisesti määräydy vain aistinelimen koon ja kehityshäiriöiden plastisuuden perusteella, ja muutokset keskusprosessoinnissa vaikuttavat myös tähän sopeutumiseen .

joillekin luolakalapopulaatioille on kehittynyt värähtelyn vetovoimakäyttäytyminen (VAB) vedessä olevia värähteleviä kohteita kohtaan, jotka välittyvät sivusuuntaisen linjan, erityisesti silmien suborbitaalisen alueen neuromastien, välityksellä . Neuromastien numeeriset erot näkyvät toukkavaiheessa, mutta embryologista ja geneettistä perustaa tällaisille muutoksille ei tunneta. Lisääntynyt neuromast määrä optisella alueella voi johtua silmän rappeutuminen, mutta tämä on riippumaton pleiotrooppinen Shh hypersignalling johtaa silmän regressio .

toinen luolakalan käyttäytymissovitus on unenpuute . Uni on palautuva, kohonneen kiihottumiskynnyksen ja rauhoittumisen tila. Sen kesto ja voimakkuus vaihtelevat suuresti lajeittain riippuen ekologisista muuttujista ja evoluutiohistoriasta . Sitä säätelee päivittäinen valon ja pimeyden kierto (poissa luolissa) sekä aistien käsittely ja aineenvaihdunta . Neuromastiyliherkkyys liittyy cavefishin univajeeseen . Hypotalamuksen hypokretiini / oreksinergisellä järjestelmällä on säilynyt rooli selkärankaisten Uni/valvesyklin säätelyssä . Aikuisilla luolakaloilla raportoitiin korkeampia hypokretiini-ekspressiotasoja ja neuronimääriä kuin pintakaloilla, ja funktionaaliset määritykset vahvistivat, että lisääntynyt oreksinerginen neurotransmissio liittyy univajetta aiheuttavaan fenotyyppiin . Hypokretiinin hermosoluklusterin neuroanatomisia variaatioita esiintyy varhaisesta alkiogeneesistä, joka johtuu gastrulaation lopussa tapahtuvista morfogeenimodulaatioista . Kehitysmanipulaatiot, jotka vähentävät hypokretiinineuronien määrää viikon vanhoissa toukissa, vähentävät näiden toukkien aktiivisuutta matkien pintakaloja. Tämä osoittaa, että hypokretiiniklusterin kehitys vaikuttaa kalojen käyttäytymiseen. Myös muiden hypotalamuksen neuronaalisten järjestelmien (neuropeptidi Y (NPY), proopiomelanokortiini) muodostumisessa havaittiin muutoksia, ja niiden osuutta käyttäytymismuutoksiin on tutkittava.

(C) Behaviour, genetics and functional genomics: identifying mutations in cavefish

Cavefishissä esiintyy useita käyttäytymispiirteitä, jotka poikkeavat pintakaloista ja jotka näyttävät olevan hyödyllisiä elämälle maanalaisessa elinympäristössä, ja ne on todennäköisesti valittu. Tämä viittaa siihen, että niillä on geneettinen perusta.

QTL-lähestymistavat osoittavat , että unen menetys , koulunkäynnin menetys, erityinen ruokinta-asento 45° kulmassa alustaan nähden ja VAB ovat monigenisiä determinismejä, koska F2-kaloilla, jotka ovat syntyneet kahden F1-hybridin risteytymisestä, esiintyy erilaisia käyttäytymistasoja. Tunnistettiin useita QTL-intervalleja, joiden avulla voitiin kartoittaa tiettyyn käyttäytymiseen liittyviä genomialueita. Unen/liikuntaelimistön ja VAB: n säätelyyn liittyvät alueet ovat erilaisia . Lisäksi QTL-analyysi viittaa kandidaattigeeneihin, kuten narkolepsiaan liittyvään TP53-indusoituvaan proteiinigeeniin, joka on potentiaalinen unen säätelijä, joka sijaitsee QTL-intervallissa ja jonka on todettu säätelevän liikuntaelimistön toimintaa .

joskus käyttäytyminen-fenotyyppien tutkimus itsessään voi viitata kandidaattigeeneihin. Esimerkiksi Tinaja cavefishin hyperfagia ehdotti leptiinireitin tutkimista, mikä johti mc4r: n (melanokortin 4-reseptori) geenin mutaatioiden tunnistamiseen . Tai deprenyylin (serotoniinin hajoamisen estäjän) vaikutus aggressiivisuuteen yhdessä neuroanatomisten vertailevien analyysien kanssa yhdistivät serotonergisen järjestelmän aggressiivisuuseroihin näiden kahden ihmisen välillä ja paikansivat mutaation MAO-entsyymissä (monoamiinioksidaasi). Tämän vuoksi käyttäytymistieteellisten fenotyyppien tutkimus, mutta myös neurokemialliset ja neuroanatomiset tutkimukset, mahdollistavat paremman kohdentamisen kandidaattigeeneihin, jotka ovat vastuussa näiden kahden Morfin välisistä käyttäytymismuutoksista.

kun kandidaattigeeni on tunnistettu, funktionaalisen genomiikan on testattava geenin rooli käyttäytymisen säätelyssä. Kun Kave-ja pintakaloilla on eri alleelit, CRISPR/Cas9: n risteytyksellä tai genomiversiolla voidaan lisätä pinta-alleeli Kave-kalaan ja päinvastoin. Kun geeni eroaa ilmentymistasoltaan Kave-ja pintakalojen välillä, voidaan saavuttaa inaktivaatio tai yli-ekspressio. Esimerkiksi hypokretiinigeeni on cavefishissä yliekspressoitunut. Morfolinos on tyrmännyt sen ilmaisun, mikä on osoittanut sen osallisuuden cavefishin unenpuutteeseen .

behavioral studies, genetics and functional genomics identifioi käyttäytymismuutosten geneettiset perusteet. Sitten populaatio-ja fylogeografisista tutkimuksista voi syntyä kiinnostavia kannanottoja piirteen evoluutiohistorian hypoteeseihin. Esimerkiksi mc4r: n mutatoituneiden alleelien jakautuminen luoliin ja jokiin viittaa siihen, että johdettu alleeli tuli luolaan alkaen pintakaloissa luolan kolonisaation aikaan vallitsevasta pysyvästä geneettisestä vaihtelusta (Katso myös §2D). Huomioitavaa on, että geneettiset emäkset ovat yksi monista mahdollisista proksimaalisista syistä näiden kahden muotoseikan käyttäytymiseroille. Meidän on myös tutkittava pelkästään ympäristön vaikutuksia (esimerkiksi valon, veden fysikaalis-kemiallisten parametrien tai troofisen tuen puuttuminen), jotka vastaavat fenotyyppisen plastisuuden tai epigeneettisten mekanismien mahdollisia vaikutuksia.

(d) genomiikka ja populaatiobiologia: tracking back evolutionary history

luolia isännöivien luolien levinneisyys on laaja ja ne on ryhmitelty kolmeen ryppääseen: El Abra -, Guatemala-ja Micos-ryhmiin. Näiden luolakalojen evolutiivista historiaa ja alkuperää tunnetaan vielä huonosti. Vaikka luolakalapopulaatioiden ikivanha alkuperä, miljoonia vuosia sitten, on yleensä mainittu kirjallisuudessa, viimeaikaiset analyysit ja mallinnukset käyttäen kahta itsenäistä aineistoa (mikrosatelliitit ja yksittäiset nukleotidipolymorfismit) viittaavat siihen, että luolakalat tunkeutuivat luoliin alle 25 000 vuotta sitten . Tällaisen tuoreen alkuperän pitäisi olla todennettavissa, ja sillä pitäisi olla mielenkiintoisia seurauksia väestögenomiikan kannalta. Tulosten on oltava verrattavissa kolmipiippuisessa stickleback-järjestelmässä (esim.) saatuihin tuloksiin. Ensinnäkin luolakalan tuore alkuperä ja nopea evoluutio viittaa siihen, että fenotyyppinen evoluutio perustui pääasiassa esi-isien pintapopulaatiossa jo olemassa olevien geenivarianttien kiinnittymiseen (toisin kuin uudet mutaatiot, jotka vievät enemmän aikaa), ja monia niistä pitäisi edelleen löytyä olemassa olevista pintakaloista. Genomin laajuiset skannaukset pitäisi tehdä väestötasolla jaetun polymorfismin arvioimiseksi , mutta meillä on jo yksi esimerkki tällaisesta tapauksesta: mc4r: ssä kuvattua pistemutaatiota, joka aiheuttaa ruokahalun lisääntymistä joissakin luolakalapopulaatioissa, on tavattu harvakseltaan (3%) joessa elävillä yksilöillä . Toiseksi tuore alkuperä viittaa myös siihen, että geenin häviäminen/pseudogenisaatio ei olisi saanut tapahtua merkittävästi ”silmän geeneissä”, jotka eivät ole vastavalittuja pimeässä. Tämän varmistamiseksi tarvitaan myös genominlaajuisia tutkimuksia laadukkaista genomeista, mutta julkaistut tiedot näyttävät tukevan tätä ennustetta: cavefish crystallins ja opsins eivät osoita merkittävää funktiomutaatioiden häviämistä niiden koodausjärjestyksessä, joita voidaan verrata esimerkiksi kahteen kiteeseen ja kahteen opsiniin, jotka inaktivoituvat/puuttuvat paljaan myyrärotan genomista . Kolmanneksi, jos luolakalapopulaatiot ovat nuoria, pitäisi olla mahdollista löytää jälkiä valinnan perimän laajuudesta selektiivisten pyyhkäisyanalyysien avulla. Selektiivinen pyyhkäisy on alleelin kiinnittyminen valinnan kautta, ja neutraalien alleelien kiinnittyminen läheisesti toisiinsa liittyvään lokukseen geneettisen liftauksen kautta, mikä vähentää geneettistä monimuotoisuutta valinnan kohteena olevan kannan ympärillä. Tällaisia analyysejä voidaan tehdä vain, jos valinta on tuore; muuten uusia polymorfismeja syntyy ajan kanssa ja peittää pyyhkäistyn alueen . Populaatiogenomiikan lähestymistavat ovat jälleen lupaavia, vaihtoehtona / täydennyksenä QTL-lähestymistavoille, tunnistamaan valittavia lokuksia cavefishin fenotyyppisen evoluution aikana.

(e) populaatiobiologiasta käyttäytymiseen ja genetiikkaan: highlighting local adaptations

on 30 kuvattua A. mexicanuksen luolapopulaatiota, jotka on nimetty luolan mukaan, jossa ne elävät . Kaikki populaatiot ovat sokeita ja hajaantuneita, mutta nämä silmiinpistävät fenotyypit saavutetaan ainakin osittain konvergenssien avulla. Silmän degeneraatioon osallistuvat geenit eivät ole identtisiä eri luolapopulaatioissa (§2a), eivätkä Albiinofenotyypistä vastaavat mutaatiot/deleetiot Oca2: ssa (silmän ja ihon albinismi 2) ole samat Molino – (Guatemala-ryhmä), Pachón-tai Japonés-luolissa (molemmat El Abra-ryhmästä). Myös muissa, vähemmän selvissä fenotyypeissä esiintyy merkittäviä eroja luolien välillä. VAB on läsnä Pachón ja Sabinos cavefish (molemmat El Abra ryhmä), mutta ei ole sama vanhempien geneettinen determinismi, isän tai äidin perintö, näissä kahdessa populaatiossa . Lisäksi joissakin luolapopulaatioissa esiintyy VABEJA (Pachón, Sabinos, Piedras), mutta osassa ei (Molino) . Lopuksi pieni osa pintakaloista osoittaa VAB: n heikon muodon, mikä viittaa siihen, että pinnan esi-isät sopeutuivat luoliin VAB: n positiivisella valinnalla, jota seurasi jatkuva valinta tämän käyttäytymisen ja sen taustalla olevien aistireseptorien, neuromastien, vahvistamiseen . Samanlaisia fenotyyppisiä variaatioita esiintyy luolapopulaatioiden unelle, aggressiivisuudelle tai ruokintakäyttäytymiselle. Eriasteista evolutiivista unen vähenemistä kuvataan Pachón -, Tinaja -, Molino -, Sabinos-ja Chica-populaatioilla , mutta tämä ominaisuus on riippuvainen lateraaliviivasta tulevista aistinsyötteistä vain Pachón-populaatiossa, mikä viittaa siihen, että fenotyyppi on saattanut syntyä eri mekanismeilla. Pachón cavefish—lajissa on kuvattu alueellisen ja hierarkkisen aggressiivisuuden häviämistä, kun taas Molino cavefish – lajissa on säilynyt jonkinasteista aggressiivisuutta , ja tämä fenotyyppinen ero saattaa liittyä Mao-mutaation esiintymiseen tai puuttumiseen näiden kahden populaation genomeissa . Tinaja cavefishin lisääntynyttä ruokahalua ei ole havaittu Pachón cavefishillä, mikä mahdollisesti liittyy mutatoituneiden Mc4r-alleelien esiintymiseen tai puuttumiseen niiden genomeista . Nämä esimerkit korostavat monimutkaisia genotyyppi-fenotyyppisuhteita ja astyanaksikuonokantojen monimutkaista alkuperää. Jokainen luola näyttää olevan erikoistapaus fenotyypin ja alleelien yhdistelmien suhteen, ja mahdollinen skenaario alleelijakaumien selittämiseksi alkuperien, vaellusten ja geenivirtojen suhteen edellyttää lisäponnisteluja populaatiobiologiassa ja populaatiogenomiikassa. Myös kussakin luolassa Havaittujen erityisympäristöjen vaikutusta joudutaan analysoimaan, sillä eri luolien aliarvioitua monimuotoisuutta (esim. lepakoiden, petoeläinten tai pintakalojen esiintyminen tai puuttuminen, troofinen tuki, veden tulo tulvimalla tai suodattamalla, kuva 1) voi hyvinkin edistää eri alleelien valintaa ja kiinnittymistä paikallisista ekologisista olosuhteista riippuen.

(f) Takaisin kenttätyöhön ja lajin ekologiaan

huolimatta siitä , että 30 luolaa on kuvattu ja suhteellisen helposti saatavilla, harvat laboratoriolöydökset ovat vahvistuneet luonnonvaraisilla kokeilla. Tulkintojen validointi arvioimalla luonnonvaraisen elämän kiertokulkua ja luolaekologiaa on tärkeää, jotta voidaan välttää vääriä/ylitulkintoja ja ymmärtää luolien ekologista monimuotoisuutta, joka voi liittyä geneettisiin ja käyttäytymiseen liittyviin eroihin (kuva 1).

maanalaiset elinympäristöt saavat energiaa ulkoisista lähteistä (lepakkoyhdyskunnat, hyönteiset, virta ja suodatusvesi, jotka ovat varautuneet mikromaunaan, hiukkasiin ja orgaaniseen hiileen) . Ravinnonsaanti vaihtelee vuodenajan ja paikkakunnan mukaan, minkä vuoksi eri luolissa on vaihtelevaa mutaista hiilipitoisuutta . Kuitenkin tutkittaessa villejä luolakaloja, jotka sisälsivät lepakon guanoa, mutaa, planktonia, hyönteisiä ja kongeneerinpaloja eri vuodenaikoina, havaittiin, että Chica -, Sabinos -, Subterráneo-ja Pachón-luolissa oli hyvin ravittuja aikuisia, joilla ei ollut erikoisruokavaliota . Pachón cavefishin kasvunopeus on verrannollinen niiden pintaliitoon, ja terveitä poikasia, joiden ruuansulatuselimistö sisältää suuria määriä ja lajikkeita mikro-niveljalkaisia, löytyy, mikä viittaa erinomaisiin metsästystaitoihin sokeilla poikasilla, kuten laboratorio-olosuhteissa . Subterráneon villit luolakalat reagoivat paremmin hajuärsykkeisiin kuin luolassa elävät silmähybridit , mikä viittaa siihen, että laboratoriossa kuvatut hajuaistitaidot toimivat myös luonnossa. Myös VAB – eli akustiikkakykyä kannattaa tutkia useissa luolissa, sillä ruoanetsintätaidot saattavat riippua luolaekosysteemeistä.

Laboratoriokalojen ja luonnonvaraisten luolakalojen rasvapitoisuus on suurempi kuin pintakalojen (S Rétaux 2004–2018, henkilökohtaiset havainnot). Cavefishin metabolia muuttuu myös vuorokausirytmin tasolla. Luonnonvaraisilla Chica cavefish-lajeilla, mutta ei samaa alkuperää olevilla koe-eläimillä, oskillatorisen geenin periodi1: n matalat ilmentymistasot liittyvät kumottuihin rytmisiin toimintoihin, mikä viittaa siihen, että ”cavefish kokee pysyvää valoa ikuisen pimeyden sijaan”. Vuorokausirytmin muutokset ovat yleinen piirre luolaeläimillä, ja ne voivat osaltaan säästää energiaa alentamalla aineenvaihdunnan tarvetta . Lisäksi hypoteesia ruumiinkoon geneettisestä rajoittamisesta (villillä Pachón cavefishillä näyttää olevan pienemmät maksimikoot kuin Tinajalla ja Subterráneolla) energian kulutuksen ja ravinnontarpeen pienentämiseksi ei ole vielä tutkittu . Nämä luonnonvaraisia yksilöitä koskevat tutkimukset valaisevat niitä monia muutoksia monimutkaisissa toiminnoissa, jotka ovat saattaneet kehittyä eri luolapopulaatioissa.

pituussuuntaisia tutkimuksia tarvitaan myös luolakalojen elintapojen ymmärtämiseksi paremmin. Luolakalat lisääntyvät helposti laboratorioissa, mutta niiden lisääntymiskierrosta ja parittelukäyttäytymisestä luonnossa tiedetään vain vähän. Chica-luolassa Bridges kuvaili suuria naaraita, joilla oli munia ja pieniä yksilöitä, jotka hän arvioi alle kuukauden ikäisiksi, kuten on raportoitu. Kuivan kauden ehdotettiin vastaavan luolakalojen pesimäkautta, mikä vastaa pachónissa maaliskuussa 2016 tehtyä poikastutkimusta . Jos tämä varmistuu, se viittaa ”synkronoituun” pesimäkauteen etelästä pohjoiseen Sierrasta-toisin kuin Pohjois-Amerikan Amblyopsidikala, joka pesii kevättulvien jälkeen, jotka tuovat ravintoa luoliin . Koska astyanaxin luolakalojen ja pintakalojen kutu laboratoriossa johtuu veden lämpötilan vaihteluista, vuorokausirytmin ja ympärivuotisen ilmaston vaihtelun seuraaminen luolissa on ratkaisevaa.

kenttäkokeiden ilmiselvistä vaikeuksista huolimatta siirtyminen täysin integroivaan ja monitieteiseen lähestymistapaan luolakalojen evoluution havaitsemiseksi vaatii lisää kenttätyötä. Erityisen tärkeää on ottaa huomioon eri luolien tai saman luolan eri altaiden ekologiset erityispiirteet. Tämä mahdollistaisi mesokosmoksen perustamisen luolakalojen käyttäytymisen ja elintapojen tutkimiseen luonnollisemmissa olosuhteissa sekä pitkäaikaisempiin keinotekoisiin evoluutiotutkimuksiin pintakaloilla.

johtopäätös

tämä katsaus korostaa luolakalojen evoluution tarkastelemisen tärkeyttä monesta näkökulmasta. Tällainen yritys voi joskus näyttää pitkältä ja vaikealta, mutta uskomme, että se osoittautuu palkitsevaksi ja oivaltavaksi ymmärtää salaisuuksia luolakalojen sopeutumista ympäristöönsä. Pinta-ja luolamorfien ympäristöolosuhteiden valtava ero, useiden, nopeasti kehittyneiden luolapopulaatioiden olemassaolo, luolakalojen morfologisella, fysiologisella ja käyttäytymistasolla ilmenevien fenotyyppien moninaisuus, lajin kokeellinen viihtyvyys tekevät Meksikontetroista ensisijaisia kalamalleja, joilla voidaan vastata laajempiin evoluutiokysymyksiin. Tärkeimpiin tutkimussuuntiin kuuluu geneettisten ja kehitysevolutionaaristen prosessien selvittäminen, mukaan lukien geenien tyyppi ja lukumäärä, tai onko morfologisessa evoluutiossa kyse koodaus-tai säätelysekvensseistä. Kiehtovia kysymyksiä ovat myös konvergenssin mekanismit tai se, miten eri mekanismit voivat johtaa samanlaisiin tuloksiin, mikä korostaa ’geneettisen näpertelyn’ voimaa evoluutiossa .

tietojen saatavuus

tässä artikkelissa ei ole lisätietoja.

kirjoittajien osuudet

kaikki neljä kirjoittajaa kirjoittivat arvostelun.

kilpailevat intressit

ilmoitamme, ettei meillä ole kilpailevia intressejä.

Rahoitus

ryhmän työtä tukevat CNRS, FRM, UNADEV-AVIESAN, IDEEV ja Ecos-Nord-Franco-Meksikolainen vaihto-ohjelma.

alaviitteet