Computerwerkzeuge unterstützen die Rekonstruktion eines neuen und verbesserten Vogelstammbaums

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat den bislang größten und detailliertesten Vogelstammbaum erstellt – ein komplexes Diagramm, das 93 Millionen Jahre evolutionäre Beziehungen zwischen 363 Vogelarten schildert, die 92 % aller Vogelfamilien repräsentieren.

Möglich wurde dieser Fortschritt zum großen Teil durch modernste Rechenmethoden, die von Ingenieuren der University of California San Diego entwickelt wurden, in Kombination mit den hochmodernen Supercomputing-Ressourcen der Universität im San Diego Supercomputer Center. Diese Technologien haben es Forschern ermöglicht, große Mengen genomischer Daten mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit zu analysieren und damit den Grundstein für die Erstellung des umfassendsten Vogelstammbaums aller Zeiten zu legen.

Der Fortschritt wird in zwei ergänzenden Papieren detailliert beschrieben, die am 1. April veröffentlicht wurden Natur und das Tagungsband der National Academy of Sciences (PNAS). Der aktualisierte Stammbaum, berichtet in Naturenthüllte Muster in der Evolutionsgeschichte der Vögel nach dem katastrophalen Massenaussterben, das die Dinosaurier vor 66 Millionen Jahren auslöschte.

Die Forscher beobachteten einen starken Anstieg der effektiven Populationsgröße, der Substitutionsraten und der relativen Gehirngröße bei Frühaufstehern und warfen ein neues Licht auf die adaptiven Mechanismen, die die Diversifizierung der Vögel nach diesem entscheidenden Ereignis vorangetrieben haben. Im Begleitpapier veröffentlicht in PNASForscher untersuchten einen der Zweige des neuen Stammbaums genau und stellten fest, dass Flamingos und Tauben weiter entfernt miteinander verwandt sind, als frühere genomweite Analysen gezeigt hatten.

Die Arbeit ist Teil der Bird 10.000 Genomes (B10K)-Projektein multiinstitutionelles Projekt unter der Leitung der Universität Kopenhagen, der Zhejiang-Universität und der UC San Diego, das darauf abzielt, Entwürfe von Genomsequenzen für etwa 10.500 noch existierende Vogelarten zu erstellen.

„Unser Ziel ist es, die gesamte Evolutionsgeschichte aller Vögel zu rekonstruieren“, sagte Siavash Mirarab, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und einer der leitenden Co-Autor des Buches Natur Artikel sowie Erst- und Co-Korrespondent-Autor PNAS Papier.

Die Vergangenheit zusammenfügen

Im Zentrum dieser Studien steht eine Reihe von Algorithmen namens ASTRAL, die Mirarabs Labor entwickelt hat, um evolutionäre Zusammenhänge mit beispielloser Skalierbarkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit abzuleiten. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen integrierte das Team Genomdaten aus über 60.000 Genomregionen und lieferte so eine robuste statistische Grundlage für seine Analysen.

Anschließend untersuchten die Forscher die Evolutionsgeschichte einzelner Abschnitte im Genom. Von dort aus setzten sie ein Mosaik aus Genbäumen zusammen, die dann zu einem umfassenden Artenbaum zusammengestellt wurden. Dieser sorgfältige Ansatz ermöglichte es den Forschern, einen neuen und verbesserten Vogelstammbaum zu erstellen, der komplexe Verzweigungsereignisse selbst in Fällen historischer Unsicherheit mit bemerkenswerter Präzision und Detailliertheit beschreibt.

„Wir fanden heraus, dass unsere Methode, Zehntausende Gene zu unserer Analyse hinzuzufügen, tatsächlich notwendig war, um evolutionäre Beziehungen zwischen Vogelarten aufzuklären“, sagte Mirarab. „Man braucht wirklich all diese Genomdaten, um mit hoher Sicherheit zu rekonstruieren, was in diesem bestimmten Zeitraum vor 65 bis 67 Millionen Jahren passiert ist.“

Die Fähigkeit des Teams, diese Analysen an riesigen Datensätzen durchzuführen, wurde dadurch ermöglicht, dass Mirarabs Labor seine Rechenmethoden so konzipierte, dass sie auf leistungsstarken GPU-Maschinen laufen. Sie führten ihre Berechnungen auf dem Supercomputer „Expanse“ am San Diego Supercomputer der UC San Diego durch.

„Wir hatten das Glück, Zugang zu einem solchen High-End-Supercomputer zu haben“, sagte Mirarab. „Ohne Expanse wären wir nicht in der Lage gewesen, unsere Analysen für solch große Datensätze in angemessener Zeit durchzuführen und erneut durchzuführen.“

Die Forscher untersuchten auch die Auswirkungen verschiedener Genomprobenentnahmemethoden auf die Genauigkeit des Baums. Sie zeigten, dass zwei Strategien – die Sequenzierung vieler Gene jeder Art sowie die Sequenzierung vieler Arten – in Kombination wichtig für die Rekonstruktion dieser Evolutionsgeschichte sind.

„Da wir eine Mischung beider Strategien verwendeten, konnten wir testen, welcher Ansatz stärkere Auswirkungen auf die phylogenetische Rekonstruktion hat“, sagte Josefin Stiller, Professorin für Biologie an der Universität Kopenhagen und Hauptautorin der Studie Natur Papier.

„Wir fanden heraus, dass es wichtiger war, viele genetische Sequenzen von jedem Organismus zu entnehmen, als von einem breiteren Artenspektrum, obwohl die letztere Methode uns dabei half, den Zeitpunkt der Entwicklung verschiedener Gruppen zu datieren.“

Die Vergangenheit korrigieren

Mithilfe ihrer fortschrittlichen Rechenmethoden konnten die Forscher auch etwas Ungewöhnliches ans Licht bringen, das sie in einer ihrer früheren Studien entdeckt hatten: Ein bestimmter Abschnitt eines Chromosoms im Vogelgenom war über Millionen von Jahren unverändert geblieben, leer der erwarteten Muster der genetischen Rekombination.

Diese Anomalie veranlasste die Forscher zunächst dazu, Flamingos und Tauben fälschlicherweise als evolutionäre Cousins ​​zusammenzufassen, da sie aufgrund dieses unveränderten DNA-Abschnitts eng verwandt zu sein schienen. Denn ihre bisherige Analyse basierte auf den Genomen von 48 Vogelarten.

Durch die Wiederholung ihrer Analyse anhand der Genome von 363 Arten entstand jedoch ein genauerer Stammbaum, der die Tauben weiter von den Flamingos entfernte. Darüber hinaus konnten Mirarab und Kollegen mithilfe von sechs hochwertigen Genomen, die vom Vertebrate Genome Project (VGP) unter der Leitung von Co-Autor Erich Jarvis, einem Professor für Neurobiologie an der Rockefeller University, bereitgestellt wurden, dieses überraschende Muster erkennen und mutmaßlich erklären.

„Überraschend ist, dass dieser Zeitraum der unterdrückten Rekombination die Analyse irreführen könnte“, sagte Edward Braun, Professor für Biologie an der University of Florida und Mitautor der Studie PNAS Papier. „Und weil es die Analyse irreführen könnte, war es tatsächlich mehr als 60 Millionen Jahre in der Zukunft nachweisbar. Das ist das Coole daran.“

Nächste Schritte

Die Wirkung dieser Arbeit geht weit über das Studium der Evolutionsgeschichte der Vögel hinaus. Die von Mirarabs Labor entwickelten Rechenmethoden sind zu einem der Standardwerkzeuge für die Rekonstruktion von Evolutionsbäumen für eine Vielzahl anderer Tiere geworden.

Auch in Zukunft setzt das Team seine Bemühungen fort, ein vollständiges Bild der Vogelentwicklung zu erstellen. Biologen arbeiten an der Sequenzierung der Genome weiterer Vogelarten in der Hoffnung, den Stammbaum auf Tausende von Vogelgattungen zu erweitern.

Unterdessen verfeinern Computerwissenschaftler unter der Leitung von Mirarab ihre Algorithmen, um noch größere Datensätze zu verarbeiten und sicherzustellen, dass Analysen in zukünftigen Studien mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit durchgeführt werden.