Der vom Aussterben bedrohte Devils Hole-Welpenfisch ist eines der am stärksten durch Inzucht bekannten Tiere

Wie der Name schon sagt, lebt der Teufelsloch-Welpenfisch in einer wahrhaft höllischen Umgebung.

263 von ihnen sind auf eine einzige tiefe Kalksteinhöhle in der Mojave-Wüste von Nevada beschränkt und leben in Wasser, das das ganze Jahr über um 33 Grad Fahrenheit schwebt, mit so knappen Nahrungsressourcen, dass sie immer am Rande des Verhungerns stehen, und mit einem so niedrigen Sauerstoffgehalt Die meisten anderen Fische würden sofort sterben. Der Welpenfisch, Cyprinodon diabolisleben im kleinsten Lebensraum aller bekannten Wirbeltiere.

Neue Forschungsergebnisse dokumentieren nun die extremen Auswirkungen, die diese harten und isolierten Bedingungen auf die genetische Vielfalt dieses Fisches hatten.

In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Verfahren der Royal Society B, University of California, Berkeley, berichten Biologen über die ersten vollständigen Genomsequenzen von acht Welpenfischarten aus dem amerikanischen Südwesten – insgesamt 30 Individuen, darunter acht Devils-Hole-Welpenfische. Erstaunlicherweise ist der Devils-Hole-Welpenfisch so stark durch Inzucht gezüchtet, dass durchschnittlich 58 % der Genome dieser acht Individuen identisch sind.

„Ein hohes Maß an Inzucht ist mit einem höheren Aussterberisiko verbunden, und die Inzucht im Devils Hole-Welpenfisch ist gleich oder schwerwiegender als das Niveau, das bisher in anderen isolierten natürlichen Populationen wie den Isle-Royale-Wölfen in Michigan, Berggorillas, gemeldet wurde in Afrika und bei indischen Tigern“, sagte der leitende Forscher Christopher Martin, außerordentlicher Professor für integrative Biologie an der UC Berkeley und Kurator für Ichthyologie im Museum of Vertebrate Zoology des Campus. „Obwohl wir die Fitness nicht direkt messen konnten, führt die erhöhte Inzucht bei diesen Welpenfischen wahrscheinlich zu einer erheblichen Verringerung der Fitness.“

Andere Welpenfischarten sind ebenfalls Inzucht, fanden die Forscher heraus, aber nur zwischen 10% und 30% ihrer Genome sind identisch.

Doktorand David Tian, ​​Hauptautor der Studie, sagte, dass das Ausmaß der Inzucht beim Devils Hole-Welpenfisch dem entspricht, was passieren würde, wenn sich vier bis fünf Generationen von Geschwistern miteinander paaren würden. Dies neigt dazu, schädliche Mutationen einzubrennen oder zu beheben, anstatt sie auszusortieren, was möglicherweise eine Population durch Mutationsschmelze zum Aussterben verurteilt. Der Teufelsloch-Welpenfischart geht es derzeit gut in freier Wildbahn und in Gefangenschafts- oder „Zufluchts“-Populationen, aber eine solch geringe genetische Vielfalt könnte Probleme bedeuten, wenn die Klimaveränderungen und die menschlichen Auswirkungen größer werden.

Angesichts dieser potenziellen Bedrohungen werden die neuen Genomsequenzen Wissenschaftlern und Naturschützern helfen, die Gesundheit einheimischer Welpenfischpopulationen zu beurteilen und möglicherweise in Zufluchtspopulationen einzugreifen, um die genetische Vielfalt dieser Arten zu erhöhen – insbesondere des Devils Hole-Welpenfischs.

„Mit diesen neuen genomischen Daten gibt es viel Potenzial, nicht nur die genetische Vielfalt und die phylogenetische Verwandtschaft dieser Arten zu untersuchen, sondern auch Inzucht und Mutationslast, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ihr aktueller Status ist Evolutionsgeschichte könnte ihre aktuelle genetische Variation beeinflusst haben, und überlegen Sie, wohin die Population geht und was wir tun sollten, um diese Arten zu erhalten“, sagte Tian.

Bevölkerungsrückgang und Rettung

Welpenfischarten sind auf der ganzen Welt verstreut und neigen dazu, abgelegene Seen und Quellen zu mögen, oft mit extremen Bedingungen, die die meisten Fische als nicht überlebensfähig empfinden würden. Etwa 30 Arten bewohnen warme, salzige Wüstenquellen und Bäche in Kalifornien und Nevada. Martin hat verschiedene Welpenfischpopulationen untersucht, darunter mehrere auf der Insel San Salvador auf den Bahamas, um die Genetik hinter ihrer Anpassung an extreme Bedingungen und ungewöhnliche ökologische Nischen zu verstehen.

Der Devils Hole-Welpenfisch ist jedoch einzigartig in seiner geringen Reichweite und gefährlichen Existenz, sagte Martin, was seine schwankende Population in freier Wildbahn für Naturschützer besorgniserregend macht.

„Ein Teil der Frage zu diesen Rückgängen ist, ob sie möglicherweise auf die genetische Gesundheit der Bevölkerung zurückzuführen sind“, sagte Martin. „Vielleicht sind die Rückgänge darauf zurückzuführen, dass es schädliche Mutationen gibt, die behoben wurden, weil die Population so klein ist.“

Die kleine Population ist teilweise das Ergebnis menschlicher Eingriffe in ihren Lebensraum, bemerkte Martin. Lokale Viehzüchter und Entwickler pumpten in den 1960er und 1970er Jahren Grundwasser in die Region, was den Wasserstand in Devils Hole drastisch senkte, was zu einem Rückgang der Bevölkerungszahlen führte. Ein Urteil des Obersten Gerichtshofs von 1976, das es der Bundesregierung erlaubte, das Grundwasserpumpen zu begrenzen, rettete Devils Hole und die ansässige Bevölkerung, während die Zucht in Gefangenschaft in einem nahe gelegenen 100.000-Gallonen-Pool im Ash Meadows National Wildlife Refuge die Art rettete. Dennoch führte ein Rückgang in den 1990er Jahren die Wildpopulation zu ihrem Tiefpunkt im Jahr 2013: 35 Individuen. Die Wildpopulation hat sich seitdem erholt, während die Zufluchtspopulation auf etwa 400 angestiegen ist, doppelt so viele wie die Wildpopulation.

Der Mensch ist jedoch nicht allein für den Mangel an genetischer Vielfalt beim Devils Hole-Welpenfisch verantwortlich. Die Forscher der UC Berkeley sequenzierten auch das Genom eines Welpenfischs, der 1980 gesammelt und an der University of Michigan aufbewahrt wurde. Es zeigte Inzucht und einen Mangel an genetischer Vielfalt, ähnlich wie bei kürzlich gesammelten Individuen, von denen die meisten eines natürlichen Todes starben. Dies impliziert, dass der Welpenfisch wahrscheinlich über Hunderte, wenn nicht Tausende von Jahren häufig Populationsengpässe erlebt hat.

Ein Ergebnis davon, fanden Martin und Tian heraus, ist, dass 15 Gene vollständig aus dem Genom des Devils Hole-Welpenfischs verschwunden sind. Fünf von ihnen scheinen an der Anpassung an das Leben in sauerstoffarmen oder hypoxischen Umgebungen beteiligt zu sein.

„Diese Löschungen sind paradox, denn dies ist ein Lebensraum, in dem Sie am stärksten Hypoxie ausgesetzt sind“, sagte Martin. „Es könnte etwas mit der Stabilität des Lebensraums im Laufe der Zeit zu tun haben. Aber es sieht für uns so aus, als wäre der Hypoxieweg unterbrochen. Sobald Sie ein Gen brechen, spielt es keine Rolle, ob Sie weitere Gene in diesem regulatorischen Weg brechen. Unsere zukünftige Arbeit besteht darin, tatsächlich zu untersuchen, was diese Löschungen bewirken. Erhöhen sie die Toleranz gegenüber Hypoxie? Verringern sie die Toleranz gegenüber Hypoxie? Ich denke, diese beiden Szenarien sind derzeit gleichermaßen plausibel.“

Die selektive Zucht innerhalb einer in Gefangenschaft gehaltenen Population von Devils Hole-Welpenfischen könnte dazu beitragen, die Vielfalt zu erhöhen und die Art möglicherweise vor dem Aussterben zu bewahren, sagte er. Und um bereits verlorene Gene wiederherzustellen, könnte die CRISPR-Genombearbeitung sie wieder hinzufügen.

Die Tatsache, dass das Genom des 1980 gesammelten Fisches ungefähr so ​​​​inzuchtbedingt war wie der heutige Fisch, ist „vielleicht eine gute Nachricht“, sagte Martin, „da die Population historisch gesehen stark durch Inzucht geprägt war und eine sehr geringe genetische Vielfalt aufweist, was darauf hindeutet, dass der jüngste Rückgang in Die 90er Jahre mit Populationsengpässen auf nur 35 Fische im Jahr 2013 und 38 Fische im Jahr 2007 scheinen keine großen Auswirkungen gehabt zu haben.

Tian analysiert derzeit etwa 150 vollständige Genomsequenzen von neun Arten amerikanischer Welpenfische, um ein vollständigeres Bild der schädlichen Mutationen und Genlöschungen in den verschiedenen südwestlichen Populationen zu erhalten. Er sieht die Studie als ein Beispiel dafür, was Erhaltungsgenomik für gefährdete und möglicherweise durch Inzucht bedingte Populationen auf der ganzen Welt leisten kann.

„Wir stehen an einem wirklich coolen Scheidepunkt, wenn es darum geht, genomische Daten zu nutzen und sie für den Naturschutz einzusetzen, insbesondere in einer Zeit, in der es ein Problem ist, das sich wahrscheinlich nur durch den Klimawandel und die zunehmende Fragmentierung von Lebensräumen und nur durch anthropogene Veränderungen verschlimmern wird. “ er sagte.

Tian misstraut jedoch genetischen Eingriffen, da wenig darüber bekannt ist, wie Gene die physischen und Verhaltensmerkmale einer Art beeinflussen und wie dies mit der Fitness und Anpassung an eine bestimmte Umgebung zusammenhängt. Der Naturschutz sollte weiterhin Priorität haben.

„Die Antwort ist immer noch eine erhöhte Finanzierung dieser Populationen, der Schutz von Lebensräumen, rechtliche Wege zum Schutz dieser Arten und die Suche nach Wegen, wie Menschen und diese gefährdeten Arten auf diesem Planeten koexistieren können“, sagte er.

Co-Autoren mit Martin und Tian sind Austin Patton von der UC Berkeley und Bruce Turner von der Virginia Tech in Blacksburg.