Жизнеспособность важнее специальных адаптаций: приморские формы саванной овсянки

Print PDF

Угрозы приморским подвидам саванной овсянки

Саванные овсянки Passerculus sandwichensis — обычнейший вид Северной Америки, примерно как наши весничка или пухляк. Однако у неё есть узкоареальные подвиды, отличающиеся размером и формой клюва, уникальные в ряде других морфологических характеристик. Клюв крупнее, сильнее, более вздут, увеличены почки, ибо пьёт солёную воду, ест обитающих там рачков и т. д. Почти всегда они связаны с приморскими солёными болотами, подпитываюшимися приливами. Это типичный пример локальной адаптации, когда новизна, возникшая в эволюции, создаётся приспособлением особей к узколокальным обстановкам, включающим как изменения морфологии, так и обособление новой внутривидовой формы, ими «маркированной».

Приморские формы самые редкие и уязвимые. Океанические побережья наиболее предпочтительны для жилой и коммерческой застройки, создания складов и перевалочных пунктов для глобальных цепочек поставок. Болота же внутри и вокруг городов из природных ландшафтов исчезают первыми, тают как снег под весенним солнцем. Всего вид образует 17 подвидов, большинство обычны, наиболее угрожаемых два, связанных именно с приморскими маршами тихоокеанского побережья: один подвид в Северной Калифорнии (P. s. alaudinus), живущий в том числе в Bay Area¹, вокруг Сан-Диего и Тихуаны (P. s. beldingi).

В последние 128 лет, которые можно документировать тушками в музейной коллекции, северный подвид потерял более 90% площади солёных болот, на которых жил. На счастье, с 1990-х годов спохватились и начали его среду обитания сохранять, потом и активно восстанавливать поэтому площадь приморских солёных болот в и вокруг Фриско растёт. Но: время уже упущено. Десятилетия коллапса жизненного пространства вызвали нечто худшее, нежели просто падение численности. Овсянки залива стали всё чаще скрещиваться с птицами внутренних областей континента, пополняющих сокращающуюся популяцию, т. е. хотя адаптации приморских форм локальны, угроза их жизнеспособности, созданная человеком, вызвала отнюдь не локальный, но всеобщий ответ: в их восстановлении принимают участие особи из других популяций, и тем больше, чем сильней сокращается эта. Что было подробно изучено Phred M. Benham с соавт. (2024). Оказывается, жизнеспособность приморским формам важнее специализированных адаптаций: внутренние регуляторы в популяционной системе вида «работают» так, что, спасаясь, их популяции утрачивают собственную уникальность.

Поддержка жизнеспособности приморских популяций ликвидирует их морфологические отличия

Мы видим прекрасное проявление внутрипопуляционной саморегуляции, не на словах, а на деле. Такой переток особей «подвижного» резерва популяции в норме полезен и даже спасителен, именно он восстанавливает население вида в местностях, где оно сократилось под действием разных факторов неблагоприятности. Однако здесь возникла проблема: поддержание жизнеспособности приморского населения вида — «размывает» их локальные адаптации. Овсянки, пополнившие приморские популяции в годы падения численности, приспособлены к жизни в сырых травянистых биотопах у пресных вод, что связано с радикально иной морфофизиологией.

Растущее скрещивание с ними приморской формы ликвидирует её уникальную морфологию: геномный анализ птиц из Museum of Vertebrate Zoology at the University of California, Berkeley, добытых в разные годы коллапса местообитаний alaudinus (всего за 128 лет) показывает исчезновение генных вариантов, детерминирующих локальные адаптации, тем более быстрое, чем больше скрещивание с птицами внутренних районов делалось поглотительным.

Использовали данные по экзомам 209 птиц, добытых с 1889 по 2017 г.

Точнее, аллели, важные при жизни на солёных болотах, не исчезали совсем, но раньше они концентрировались там, где нужнее всего. Сейчас же через интрогрессивную гибридизацию они сделались редким вариантом в структуре адаптивной нормы всего вида, мало способным поднять приспособленность какой-либо популяции из числа обмениваюшихся особями, именно потому что он везде редок, не сконцентрирован в какой-то из них. Так получилось потому, что за время изоляции приморских форм в их уникальных местообитаниях и — благодаря достаточной площади этих последних — размножения приморских птиц преимущественно «в своей среде» не успели возникнуть какие-либо препятствия к скрещиванию; впрочем, возникли они и будь действенными, эти формы вымерли бы в ХХ веке просто из-за недостаточногй численности на минимуме местообитаний.

Уровень генетического разнообразия приморской формы остался высоким несмотря на падение численности, т. е. приток особей извне сохранил её от бед, которым грозит падение данного показателя. Однако «включение» внутрипопуляционной саморегуляции вместо простого восстановления неблагополучной популяции (особенно ныне, когда солёные болота начали восстанавливать) грозит ликвидацией подвидовой уникальности.

Что это значит с точки зрения теории эволюции? Понятно, что до коллапса приморских солёных болот «их» овсянки так же активно скрещивались с живущими в глубине континента, ведь это подвиды, не разные виды, между ними идёт двусторонний поток переселенцев, как между любыми соседними популяциями, куда более сходными морфологчески.

Но пока популяции alaudinus были благополучны — жизнеспособны, устойчивы, с большим уровнем численностью — между ними и внутренними районами особи «сортировались». Родившиеся с признаками, более свойственными «чужому» району (самые крупноклювые во внутренних областях) двигались на болота и вливались в тамошние популяции, а родившиеся там мелкоклювые — в глубь континента. Родившиеся с признаками, «соответствующими ландшафту» размножались в основном в месте рождения, с «несоответствующими» — работой внутрипопуляционной саморегуляции направленно попадали в среду обитания, наиболее соответствующей их морфофизиологией.

Данная «сортировка» всегда сопровождает дифференциацию популяций между контрастирующими ландшафтами или средами обитания, подробней всего её изучали на примере двустороннего перетока особей между дочерней «городской» и исходной «лесной» популяцией при урбанизации «диких» видов птиц. Поскольку переток происходит направленно и неслучайно в отношении контрастирующих фенотипов, рождающихся в обоих обмениваюшихся популяциях, в норме он не только не нивелирует их различия, но, напротив, способствует ещё большей дивергенции по признакам, связанным с адаптацией к альтернативным вариантам среды обитания. Увы, при коллапсе жизненного пространства в одной из них, этот же механизм «действует» против её уникальной адаптации (пусть даже в своей среде она наилучшая), за счёт усиления поглотительности скрещиваний с овсянками солёных болот.

Исключительно интересный вопрос: начнёт ли направленный обмен особями снова «работать» на дивергенцию приморских популяций, когда люди таки восстановят их местообитания? Восстановит ли его действие прежний уровень дивергенции, сниженный загрязнением птицами с востока штата?

Посмотрим подробней, что у авторов получилось. Рис.1. изображает калифорнийские популяции саванной овсянки, их изменения во времени и пространстве. В (а) охристым показан ареал вида в Калифорнии, кружки — места происхождения тушек, добытых до 1970 г. (далее их секвенировали вместе с более поздними). Треугольники — происхождение особей, добытых после 2000 года и также использованных в анализе, все прочие — выделяемые подвиды: зелёный alaudinus, малиновый beldingi, синий brooksi, голубой nevadensis, оттенки серого — высота над у.м.: чем темнее, тем выше. В (b) приведены результаты анализа главных компонент, выполненного по данным выделения полного экзома (60 765 SNP). Левая панель — первая и вторая главные компоненты (PC1 объясняет 2,8% дисперсии, PC2 1,1%), правая панель — третья и четвёртая компоненты (0,9% vs 0,8%).

Видна дивергенция разных форм в компонентном пространстве, как и сближение экзомов особей alaudinus, добытых после 2000 г., с экзомом форм внутренних районов Калифорнии (brooksi). Это сближение равно фиксируется у птиц из 4 разных заливов севера Калифорнии (обведены пунктиром на графике). Цвета соответствуют разным подвидам, как показано на рисунке 1а. Пунктирные круги обозначают разные кластеры, соответствующие разным популяциям внутри P. s. alaudinus.

Рис.1c демонстрирует результаты кластеризации 65 583 независимых SNP и 239 особей (с добавлением 20 птиц из-за пределов Калифорнии как внешней группы) программой DyStruct (Joseph & Pe’er, 2019). В отличие от других похожих программы кластерного анализа, производимого на основе моделей структуры изменчивости (например, Admixture; Alexander et al., 2009), Dystruct явно учитывает изменения аллельных частот во времени и динамику других признаков, по которым идёт кластеризация. Предполагаемый эффективный размер популяции (N_e) в DyStruct принят равным 100000 после обнаружения, что в этом случае результаты кластеризации устойчивы к сдвигу N_e от 25000 до 500000, ещё раньше отмеченного для данного вида (Benham & Cheviron, 2019).

Рисунок 2 показывает прогоны классификаций с 3, 4 и 5 кластерами, соответствующими формам, маркированным цветом. Видно значительное загрязнение современных приморских популяций особями с признаками внутренних районов сравнительно с более ранними экз. Первая главная компонента делит птиц на 3 кластера: форма beldingi, приморские птицы юга Калифорнии; форма alaudinus, приморские птицы севера Калифорнии из залива Morro в графстве San Luis Obispo; прочие птицы Калифорнии, alaudinus и обитатели внутренних районов brooksi и nevadensis. Вторая главная компонента отделяет птиц восточной Калифорнии (форма nevadensis) от птиц с.-з. Калифорнии (alaudinus и brooksi) от оставшихся птиц, обитателей Bay Area и побережья Центральной Калифорнии, форма alaudinus. Третья компонента отделяет современные выборки, как дальше увидим, загрязнённые притоком генов из глубины штата, от исторических (тушки, добытые до 1970 г.), четвёртая — прибрежных птиц с.-з. штата от прочих.

Дальше анализировали изменённую выборку (удалены CpG-острова, удалены сайты C→T и G→A). Кластеризация генотипов даёт наибольшую вероятность разделения выборки на K = от 3 до 5 групп (логарифмическая вероятность = от -1383,63 до -1383,76; рисунок 1с). При разделении на 3 группы отдельным кластером были 1) овсянки с побережий Южной Калифорнии и Мексики, 2) птицы побережий Северной Калифорнии, 3) птицы внутренней Калифорнии, Вайоминга, Аляски и штата Вашингтон.

При выделении 4 кластеров отдельной группой сделалось население залива Морро, при 5 — также современная выборка птиц с побережья Северной Калифорнии. Главнейший результат этого анализа: генофонды прибрежных популяций центра и севера Калифорнии со «загрязняются» генами птиц внутренних районов штата: доля общих с ними предков в зал. Морро выросла на 17%, в зал. Гумбольдта на 64%, по другим местностям промежуточные значения. Виден значительный рост потока генов из внутренних районов Восточной Калифорнии в прибрежные в современных выборках сравнительно с историческими.

Авторы дальше исследовали уровни генетического разнообразия в исторических (1940 г.) и современных (1970 г.) выборках. В обоих случаях в южных популяциях оно ниже чем в северных: ниже и нуклеотидное разнообразие π, и показатели θ Уоттерсона, D Таджимы. Однако снижения разнообразия за ХХ век не случилось, несмотря на падение численности приморских популяций и коллапс местообитаний. Видимо, высокий уровень разнообразия обеспечен усилением потока генов из внутренних районов страны в ответ на вышеописанные процессы.

Рис. 2. Пространственные и временные закономерности генетического разнообразия у саванных овсянок Калифорнии.

(а) В современных популяциях, оценка программой Estimated Effective Migration Surfaces (EEMS). Средний уровень разнообразия показан варьированием цвета, от темно-коричневых (низкий) темно-синих (высокий).

(b) Для исторических популяций, оценка по EEMS.

(c) Уровни разнообразия для исторических (оранжевый) и современных (синий) популяций из разных локальностей, с севера на юг и с приморских районов вглубь штата, по трём разным критериям: π, Уоттерсона и D Таджимы. Звездочки — значимость различий по t-тесту между историческими и современными популяциями: ns: незначимо; *p < .05; **p < .01; ***p < .0001.

Из данных для (b) и (c) были исключены мутации C → T и G → (d, e) Зависимость между генетическим разнообразием и утратой местообитаний солёных маршей для каждой из 6 эстуарных популяций. Видно отсутствие связи между генетическим разнообразием и долей утраченных (или доступных) местообитаний, если первое мерить π (красный круг) и значимую связь, если критерием θ Уоттерсона или дистанцией D Таджимы (синий квадрат). (e) исторически сложилось так, что общее количество сохранившихся солёных болот в эстуариях хороший предиктор современного уровня разнообразия по критерию Уоттерсона, но плохой — разнообразия нуклеотидов π.

Коллапс местообитаний приморских популяций саванной овсянки контрастирует с их устойчивостью в восточной и северной Калифорнии. Сообразно последнему отмечен значительный рост π и для тамошних популяций, при снижении генетического разнообразия по ряду метрик, не всем, для пяти из шести прибрежных популяций Калифорнии (рис. 2с).

Единственное исключение — птицы залива Суйсун в районе Bay Area в Центральной Калифорнии. Снижение генетического разнообразия было более очевидным по критерию θ, нежели π, что способствовало значительному увеличению D Таджимы для всех популяций приливных болот (за исключением залива Суйсун). Эта закономерность указывает на сокращение популяции, когда более редкие варианты (измеряемые по θ) устраняются до общего снижения гетерозиготности (измеряемого по π). Оценки этих параметров с использованием наборов данных, которые были отфильтрованы менее консервативно, показали сходные закономерности (рисунок S5).

Для заливов Ньюпорт и Сан-Франциско также были оценены тенденции в показателях генетического разнообразия по выборкам, взятым из трех и шести временных точек соответственно. Для птиц залива Ньюпорт значительное снижение π и произошло только в период с 1960-х по 2010-е годы (рисунок S6). С другой стороны, в заливе Сан-Франциско наблюдалось долгосрочное увеличение D Таджимы с начала 1900-х годов по настоящее время, обусловленное уменьшением θ (рисунок S7). Выявлены и значительные различия в степени уменьшения генетического разнообразия в разных популяциях приливных болот (односторонний анализ ANOVA; π: F = 294,7, df = 5, p ≈ .0001; : F = 61,15, df = 5, p ≈ .0001).

Чтобы определить, объясняют ли различия в степени потери среды обитания, испытанной разными приморскими популяциями, её % сравнили с изменением генетического разнообразия во времени для каждого из заливов. Утрата местообитаний варьировала от 2% до 87%, но эта динамика не объясняла изменений π или θ за это же время, аппроксимированных простыми моделями линейной регрессии (рис.2d). Связь между изменением генетического разнообразия и логарифмами общей площади солёных маршей, историческим и современным, также была незначима, как и с линейной протяжённостью их сегодня (таблица S2).

Единственный значимый предиктор нынешних уровней генетического разнообразия —обилие солёных маршей в историческом прошлом. Оно в значительной степени предсказывало вариацию современных значений θ (R² = .79; p = .01), а связь с π была почти значимой (R² = .53; p = .06; рисунок 2e). Видно, что несмотря на утрату местообитаний всеми изученными популяциями, большинство из них поддерживают высочайший уровень генетического разнообразия, даже учитывая тот факт, что птицы некогда самых обширных болот (сквжем, в зал. Сан-Франциско) в наибольшей степени теряли среду обитания и снижали θ. Однако они даже сейчас сохраняют уровень θ, сравнимый с прочими популяциями Северной Калифорнии. Следовательно, поддерживающие их миграционные потоки и ныне пропорциональны их прежней численности и/или ареалу, несмотря на случившееся сокращение последнего.

Демографические изменения популяций во времени

Авторы их анализировали при помощи модели GADMA2. Популяции зал. Ньюпорт и Северной Калифорнии разошлись ~254 тыс. лет назад, следующее расхождение (~32 тыс. лет назад) — популяции Bay Area и Восточной Калифорнии. После первого расщепления эффективная численность (N_e) овсянок залива Ньюпорт выросла от 0,2 до 16749, прежде чем снова упасть до 6675. Напротив, на севере Калифорнии N_e было высоким, 297826 птиц, до самого расщепления на внутренние популяции востока штата (поддерживают постоянный N_e в 68438 птиц), и приморские Bay Area (N_e упало до 16755).

Интенсивность миграции между ними сравнима: 1,6e^-04 из внутренних районов штата в приморские популяции и 1,3e^-04 — наоборот; это 8,9 мигрантов на поколение (Н_м) из района залива в восточную Калифорнию и Н_м = 2,7 в обратную сторону. Виден усиленный отток особей из сокращающейся популяции, который её ослабляет ещё больше; птицы активно выселяются активно и из растущей популяции, но составляют там куда меньшую долю. В целом, пять лучших из 20 моделей, соответствующих историческому набору данных, показывают схожую демографическую историю и оценки параметров (таблица 1).

Рисунок 3. Временные изменения темпов миграции между популяциями саванновых овсянок Калифорнии. (а) Модель дивергенции популяций во времени, оцененная для исторической выборки экз. (до 1970 г.) алгоритмами наилучшего соответствия GADMA2. Ордината — время демографических событий; ширина полос — фактическая численность разных популяций (показаны цветом); стрелки — скорость й миграции от популяции-источника к популяции — стоку, представленные из прошлого в будущее. (b) то же самое для современной выборки. (c) Оценка притока из внутренних районов в нынешние прибрежные популяции по сравнению с историческими.

Демографическая модель а) здесь была базовой, а дальше варьировали темпы миграции в разных поколениях от считанных назад от настоящего времени (ось Х) для разных популяций так, чтобы получить современную выборку генотипов. Полученные прогнозы анализировали программой DyStruct: это так называемое коалесцентное моделирование, оно позволяет определить долю предков из Восточной Калифорнии у птиц нынешних прибрежных популяций (ось У). Синий пунктир — средний уровень «загрязнения» ими в популяциях Bay Area, сравни с рис.1c). Темпы миграции <0,15 не ведут к изменениям доли предков из Восточной Калифорнии. (d) показывает изменение доли предков с востока штата, оцененные для смоделированных наборов данных в DyStruct, сверху — по исторической выборке (рис. 3а) без изменения уровня миграции в район Bay Area из внутренних районов штата, снизу — для его роста в 1000 раз 5 поколений назад, с 0,00015 до 0,15 иммигрантов на поколение.

Наиболее подходящая модель для современного набора данных (рис. 3а; Таблица 1; Логарифм степени правдоподобия -1556,50) показала похожее начальное время расхождения ~232 тыс. лет назад, но гораздо более раннее — между восточной Калифорнией и Bay Area (~125 тыс. лет назад). Птицы Ньюпорт-Бэй показали аналогичную историю роста и сокращения популяции до меньшей N_e — 4923. В отличие от исторической выборки, Восточная Калифорния показала меньший N_e (31 638), чем птицы Bay Area (57 309): различия одинаковы для четырех из пяти лучших моделей для современной выборки.

Также предполагалось, что миграция между восточной Калифорнией и районом залива симметрична (1,0e^-04 и 1,1e^-04), Н_м на поколение (5,73) несколько больше в приморские популяции из глубины континента, чем наоборот (3,48), что отличается от исторической выборки. В противоположность последней, пять лучших моделей показывают большие различия в оценках ряда параметров, в частности, времени расхождения популяций Восточной Калифорнии и Bay Area (в диапазе 3,6–125 тыс. лет назад), N_e популяции Bay area (37157-426253) и N_m из от Восточной Калифорнии в Bay Area (0-63.94).

Причины этого так и остались неясными, но могут быть связаны с недавними и неучтенными изменениями в демографической истории из-за падения численности населения или сдвигов темпов миграции, не учтённых демографической моделью. Последняя возможность также предложена анализом DyStruct, показавшим значимый рост увеличение числа предков из Восточной Калифорнии у современных птиц из Bay Area (рис. 1с). Эту возможность проверили анализом 26 смоделированных наборов данных по SNP в DyStruct: выяснилось, что соответствия наблюдаемому % восточнокалифорнийских предков у птиц Bay Area необходим сдвиг к скорости миграции 0,15 из глубины континента 5-25 поколений назад (рис.3cd). Результаты моделирования убедительно подтверждают, что отмеченные закономерности — следствие резких изменений в скорости потока генов из глубины континента а не, например, дрейфа генов.

Влияние демографических изменений на локально адаптированные локусы

Далее авторы определяли, как приток овсянок из внутренних районов штата влияет на дивергенцию между ними и прибрежными популяциями по локусам, непосредственно отражающим адаптацию к условиям солёных маршей. К их числу справедливо отнесли все локусы, дающие выбросы, т. е. выходящие за 95^й перцентиль дистанций между выборками приморских птиц и птиц пресных вод, оцененных при помощи F_st D_xy и LFMM.

Таких выборосов в разных участках генома в исторических выборках из 4 приморских популяций выявлено 67. Дальше дистанции именно по этим локусам между этими четяремя популяциями и птицами внутренних районов сравнили с дистанциями по геному в целом (рис.4а). F_st относительно птиц востока Калифорнии выросли за 120 лет в заливе Морро с 0,054 до 0,062, но сильно снизились в заливе Гумбольдта с 0,014 до -0,002; в двух других популяциях изменения более скромные (таблица 2).

Дальше авторы идентифицировали локусы, пришедшиеся на эти выбросы, вышедшие за 95-й процентиль анализов F_st, D_xy и LFMM.

Таблица 2. Средние значения F_st между разными приморскими популяциями и овсянками восточной Калифорнии для исторических и современных выборок.

Популяции	1	2	3	4	5
Зал. Ньюпорт	10	11	4495	0.098 (0.008)	0.099 (0.009)
Зал. Морро	11	8	5408	0.054 (0.003)	0.062 (0.006)
Зал. Бэй	31	37	12021	0.015 (0.001)	0.013 (0.001)
Зал. Гумбольдта	10	5	6466	0.014 (0.001)	−0.002 (0.002)

Обозначения. Столбцы слева направо — историческая выборка, современная выборка, число SNP для расчёта дистанций, F_st для исторической и современной выборок соответственно. Строки — разные популяции.

Рисунок 4. Временные изменения показателей F_st для локусов, оказавшихся выбросами в 3х разных оценках генных дистанций F_st, D_xy и LFMM.

Обозначения. (а) диаграмма Венна: степень перекрывания генов, чьи SNP образуют выбросы, в 4 приморских популяциях овсянок.

(b) сдвиг современной генетической дивергенции 4х приморских популяций относительно птиц восточной Калифорнии в сравнении с аналогичной дивергенцией исторических выборок по локусам, образующим выбросы (рыжий) в сравнении с этим же сдвигом F_st по участкам, не образующим выбросов (синий). ΔFst для каждого локуса показывает разность между F_st исторических и современных выборок, ΔF_st больше 0 — рост дивергенции со временем, и наоборот. Звездочки — значимость различий между дистанциями по участкам генома, образующим и не образующим выбросы, t-тест (ns: незначимо; *p < .05; **p < .01; ***p < .0001).

(c, d) Полигоны распределений величин F_st оцененных по отдельным SNP, между заливом Ньюпорт (P. s. beldingi) и заливом Бэй (P. s. alaudinus), с одной стороны, и востоком Калифорнии (P. s. nevadensis), с другой, для исторических выборок. Красный пунктир — 99-ый процентиль для вычисленных дистанций по разным SNP, использован как порог для определения выбросов, на основе которых выдвигаются предположения о локуса, обеспечивающих уникальные адаптации приморских популяций.

Серый пунктир — оценки F_st в современной и исторической выборках для мутации C→T в области 3′ UTR конечного экзона гена рецептора эстрогена 1 (ESR1, главнейший из обеспечивающих локальных адаптацию).

(e) пространственные вариации частот альтернативных вариантов этого SNP в ESR1, для 9 популяций, по которым собраны выборки. Аллель T показан чёрным, С красным, везде историческая выборка слева, современная справа.

Дальше исследовали, влияет ли приток генов из внутренних районов штата в приморские популяции сильней на дистанции по локусам, образующим выбросы, чем по локусам, их не образующим. Оказывается да, во всех четырёх популяциях солёных болот в современных выборках относительно исторических дивергенция от newadensis значимо больше снизилась при расчёте дистанций по первой группе локусов, нежели по второй (рис.4b). Выявленное уменьшение ∆F_st в заливах Бэй или Ньюпорт было значимо выше предсказанного на основе модели нейтральной демографической истории без демографических изменений последних 100 лет (рисунок S8); однако ∆F_st для локусов выбросов в Bay Area оставалось значительно больше, чем ∆F_st, оцененное на основе смоделированной истории недавних изменений уровня миграции (рисунок S8).

Ни один ген не образовывал выбросов в генофондах всех четырех приморских популяций, но два гена создали выбросы в трех из них (рис. 4а; таблица S2): ген рецептора эстрогена 1 (ESR1, исключение здесь — популяция залива Гумбольдта), и SNP LOC102074318 из области FCGBP-подобного белка (исключение — популяция залива Морро). Более того, максимум дивергенции по F_st отмечен для мутации T → C в области 3′ UTR [нетранслируемая область] в конечном экзоне гена ESR1 одновременно в заливах Ньюпорт (рис.4c; F_st = 0,73), так и в заливе Бэй (рис.4d; F_st = 0,41). Его же отличает значительное уменьшение дистанций в исторической выборке по сравнению с современной (∆F_st = -0,17), созданное со снижением частоты производного аллеля C в заливе Бей (-0,24; рис.4e), в отличие от изменения частоты исходного аллеля T, высокой в восточной Калифорнии.

Поэтому данный ген и аллель С можно связать с уникальными адаптациями популяций солёных болот. Всё это явно показывает, что приток генов из внутренних районов штата специфически понижает их частоты и уменьшает дивергенцию приморских популяций, т. е. разрушает присущие им локальные адаптации, хотя и спасает от вымирания. Авторы также исследовали, гомогенизирует ли поток генов от newadensis генофонды разных приморских популяций, хотя бы по генам, образующим выбросы. Оказывается, да, корреляции между дивергенцией исторических выборок и её изменением во времени (F_st и ΔF_st для разных генов) были значимы и выше 0 в заливах Бэй (в среднем 0,17; p-значение = 0,015) и Гумбольдта (0,30; p-значение = 0,001), но незначимы в заливах Морро (0,16; p-значение = 0,08) и Ньюпорт (0,05; p-значение: 0,33; рис.4а).

Видно, что популяции, куда направляется больший поток генов, сделались и более сходными с птицами Восточной Калифорнии по всем SNP. Больше того, во всех 4х приморских популяциях эти же корреляции выше и положительнее для локусов, образующих выбросы, по сравнению с не образующими (рис.4а). Можно предположить, что данные локусы не более устойчивы к гомогенизирующему влиянию потока генов, хотя локальные адаптации вроде бы должны быть таковыми в своей характерной среде.

Наконец, величина коэффициента корреляции значимо варьировала в зависимости от того, как быстро в каждой приморской популяции шло «загрязнение» птицами из восточной Калифорнии (r² = .92; p-значение = .03; рис.4b). Этот вывод был верен независимо от порога, установленного исследователями для идентификации SNP, образующих выброс, будь то 90^й, 95^й или 99^й процентили F_st.

В целом полученные данные об изменениях F_st и изменений частот аллелей во времени показывают, приток генов птиц, адаптированных к пресноводным биотопам востока Калифорнии, разрушает локальные адаптации птиц солёных маршей, уменьшая дивергенцию их популяций в первую очередь по локусам, потенциально связанных с адаптацией к среде с высокой соленостью.

Обсуждение

Сама по себе утрата местообитаний, видимо, не снижает генетического разнообразия: его оценки никак не связаны с площадью местообитаний, оставшихся «в распоряжении» каждой приморской популяции. Скорей, выявились различия в уровне разнообразия между птицами севера и юга Калифорнии: у вторых в исторических выборках оно значимо ниже (рис.2а–в), а современные уровни генетического разнообразия коррелируют с развитостью солёных болот в прошлом (рис.2е). Южные популяции, разойдясь с северными ~250 тыс. лет назад (рис. 3а), видимо, были всё время небольшими.

И наоборот, популяции Bay area (заливы Сан-Франциско, Сан-Пабло и Суйсун) утратили почти 90% прежних биотопов, однако по генетическому разнообразию сравнимы с другими в Северной Калифорнии (рис. 2в). Хотя утрата местообитаний и их фрагментация, видимо, сыграли главную роль в наблюдаемом снижении генетического разнообразия, проведённый анализ показал более сложную демографическую динамику, формирующую общие закономерности изменения этого разнообразия.

Авторы почему-то не решаются написать прямо, что главный фактор здесь приток переселенцев извне, поддерживающий приморские популяции «по прежней норме генетического разнообразия», хотя их жизненное пространство ужалось подобно шагреневой коже. У других видов несоответствие между потерей среды обитания и снижением генетического разнообразия объясняется массой разных причин из областей демографии, жизненных стратегий, экологии и поведения (Lino et al., 2019; Welch et al., 2012): что именно надо выбрать из этого ассорти, почему и когда — авторы не объясняют. Многие из таких факторов вряд ли уместны при объяснении различий между птицами севера и юга штата, поскольку время генерации, размер тела и миграционное поведение у них одинаковы.

Меньшее генетическое разнообразие «южан» может быть связано с разной специализацией к обитанию на солёных маршах. Приморские болота — важнейшие биотопы P.s.alaudinus на севере Калифорнии, однако она регулярно гнездится и на прибрежных лугах (Grinnell & Miller, 1944). Большая ширина ниши, возможно, защитит от потери основного местообитания. Действительно, овсянки залива Гумбольдта по мере расширения пастбищ за счёт приморских болот перешли на первые (Fitton, 2008).

Снижение генетического разнообразия у птиц Bay Area также может быть связана с изменением во времени интенсивности потока генов между популяциями. Их генетическая структура (рис.1с), демография (рис.3; табл.1), как и анализ имитационных моделей (рис.3c, d) подтверждают очень недавнее — и резкое — увеличение большего притока птиц из восточной Калифорнии. Видим, что потеря среды обитания, снижающая численность популяции, делают ее восприимчивей к смешению с внешними особями и потоку генов из остальных популяций вида (Todesco et al., 2016).

Различия в N_e между популяциями влияют на поток генов: он направляется из более крупных популяций в более мелкие (Currat et al., 2008). Понятно и, что снижение темпов роста местного населения требует больше мигрантов извне для поддержания прежнего уровня разнообразия (Dias, 1996; Gaggiotti & Smouse, 1996). Данные и их теоретический анализ толкают к выводу, что потеря среды обитания, возможно, снизила численность местных птиц, затормозила рост популяции Bay Area, в результате чего последняя стала поддерживаться миграцией с востока штата.

Влияние внешних притоков генов на сохранение природных популяций горячо обсуждается в литературе по природоохранной генетике (Bell et al., 2019; Frankham et al., 2011; Tallmon et al., 2004). Они могут быть решающими для предотвращения инбредной депрессии или обращения её вспять (Fitzpatrick et al., 2020; Hogg et al., 2006; Westemeier et al., 1998); они могут быть критически важными в создании генетической разнокачественности, необходимой для «выработки» адаптаций отбором, включая приспособление к изменениям климата в будущем (Taylor & Larson, 2019).

Однако потоки генов теоретически могут нивелировать различия между популяциями и даже вести к аутбредной депрессии (Edmands, 2007), противоположность инбредной, её вредное действие связано с ростом гомозиготности и разрушением локальных адаптаций. Впрочем, при сравнимой жизнеспособности группировок в контрастирующей среде обитания обмен особями (и генами) между ними усиливает их дивергенцию (и расхождение генофондов), а не «смазывает» их, за счёт «сортировки» контрастирующих фено- и генотипов между этими средами.

Данные авторов показывают, что у прибрежных популяций, испытывающих более высокий уровень притока генов, со временем действительно снижается π (но не θ Уоттерсона). Этот же рост иммиграции способствовал разрушению локальных адаптаций приморских птиц — большей гомогенизации именно тех участков генома, что связаны с адаптацией к приливным болотам (рис.4-5).

Полученный результат контрастирует с недавним исследованием тринидадских гуппи, показавшим, что разница аллельных частот по локусам, дающим выбросы, более устойчива к экспериментально индуцированному потоку генов, чем по локусам, их не дающим (Fitzpatrick et al., 2020). Также у гуппи отмечен рост приспособленности популяций верховий рек при увеличении потока генов из популяций основного потока, но это отслеживали лишь ~ 6 поколений. Для будущего управления популяциями приморских овсянок существенно знать, не снизит ли приспособленность приток птиц с востока, не вызовет ли аутбредной депрессии? Тем не менее выполненная работа важное и естественное продолжение экспериментов с гуппи, — показавшее, что приток генов соседних популяций в ответ антропогенную деградацию среды обитания, может ликвидировать их генетическую уникальность, избирательно «размывать» локусы, ответственные за адаптацию к этой среде.

Рисунок 5. Изменения аллельных частот во времени в четырех приморских популяциях P.sandwichensis.

Обозначения. (а) Корреляции между отклонением от средней частоты аллелей в исторических выборках и направлением её изменения во времени для каждой из 4х популяций. Большая положительность корреляций показывает большие изменения частот аллелей относительно средней из-за большего потока генов. Красные кружки показывают наблюдаемую корреляцию для SNP, дающих выбросы, серые прямоугольники показывают нуль-гипотезу, с которой сравнивают: распределение из 1000 перестановок SNP, не дающих выбросы.

(b) Регрессия, показывающая связь между изменением доли предков, происходящих с востока (т. е. относимых к Р. s. nevadensis) у птиц каждой из популяций солётных маршей, и коэффициентом корреляции для SNP, образующих выбросы, из (a). Доля предков приведена по анализу DyStruct (рис.1c). Разные цвета — SNP, которые, как предполагается, дают выбросы при разных пороговых значениях процентилей, красные точки — SNP, не дающие выбросов.

Связь локусов, выделенных сканированием генома, с образом жизни и приспособленностью организмов — вечная проблема, если речь не о дрозофиле, мышах и пр. лабораторных объектах (Storz & Cheviron, 2021). Вопреки этим трудностям, более 40% выявленных локусов, образующих выбросы, могут быть связаны с более эффективной осморегуляцией при жизни на приливных болотах с их высокой соленостью, поскольку известна их роль в развитии, функционировании и патологии почек (таблица S3). Одновременно во многих популяциях выбросы дают только гены рецептора эстрогена 1 (ESR1) и IgGFc-связывающего белка.

У птиц ESR1 у птиц связан в первую очередь с разницей в агрессивном поведении (Merritt et al., 2020; Tuttle et al., 2016), но также широко экспрессируется в почках млекопитающих (Jelinsky et al., 2003) и способствует формированию важных осморегуляторных фенотипов, соответствующих найденным у приморских овсянок (Benham & Cheviron, 2020; Goldstein, 2006). Они включают более крупные почки (Lovegrove et al., 2004) с выработкой более концентрированной мочи за счет ингибирования экспрессии аквапорина-2 в проксимальных канальцах почек (у грызунов, Cheema et al., 2015).

Продукт второго гена — FCGBP-подобный белок связывает константную часть IgG  и структурирует слизь. Идентифицирован как белок, в первую очередь локализованный в гранулах слизистой оболочки эпителия тонкого кишечника и толстой кишки, которые секретируются в просвет кишечника. На основании современных знаний (полученных, правда, больше на млекопитающих) считается белком, который обеспечивает иммунологическую защиту кишечной ткани и облегчает взаимодействие между кишечной слизью и потенциально вредными стимулами (микроорганизмами, аларминами) с конечной целью защиты поверхности слизистой оболочки. Видимо, когда что-то идёт не так, и IgG образуется слишком много, то и связывающего его белка будет больше.

Иными словами, он связан с регуляцией иммунного ответа на границе с чужеродными антигенами, видимо, как для кишечника, так и для плаценты. Продуцируется эпителиальными тканями кишечника, плаценты и щитовидной железы, концентрации в крови повышены при  аутоиммунных заболеваниях, присутствует в амниотической жидкости во втором триместре неосложнённой беременности, как и при внутриамниотическом воспалении.

Вследствие развернувшегося глобального потепления ожидается, что в ближайшем будущем в Северной Калифорнии станет жарче, а приморские водоёмы — солёней, что может усилить осморегуляторный стресс, испытываемый саванными овсянками (Callaway et al., 2007). Если ESR1 и другие гены-кандидаты приспособления к солёным маршам, действительно критически важны для осморегуляции, происходящее восстановление численности жизнеспособность популяций снизит, а не повысит. Пока что, однако, это не произошло.

Примечание