Genetische Drift, nicht natürliche Selektion, wurde als Hauptfaktor für die Artbildung bei gefährdeten Jungfischarten identifiziert

Wissenschaftler haben ein neues Mitglied im genetischen Stammbaum eines gefährdeten Jungfischs aus dem Süden von New Mexico identifiziert.

„Wir gingen davon aus, dass es eine Art gibt, die Anlass zur Erhaltung gibt“, sagte J. Andrew DeWoody, Professor für Genetik am Department of Forestry and Natural Resources der Purdue University. „Die überwiegende Zahl der Beweise deutet nun darauf hin, dass es zwei Arten gibt, von denen wir dachten, dass es eine gibt. Wenn wir also eine gefährdete Art hatten, scheinen wir jetzt zwei zu haben.“

DeWoody und acht Mitarbeiter von den Universitäten Purdue, Ohio State, Auburn und Texas A&M veröffentlichten ihre Erkenntnisse diese Woche in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die Entwicklung des White-Sands-Welpenfisches in zwei Arten ist insofern ungewöhnlich, als die genetische Drift die treibende Kraft war.

Genetische Drift resultiert aus der zufälligen Vererbung verschiedener Gene von den Eltern eines Organismus. Im Gegensatz dazu kommt es zu natürlicher Selektion, wenn sich Populationen innerhalb einer Art im Laufe der Zeit aufgrund der Anpassung an verschiedene Lebensräume verändern.

Die beiden Arten divergierten auch ungewöhnlich schnell.

„Enge Verwandte bei Säugetieren trennten sich im Durchschnitt vor etwa zwei Millionen Jahren voneinander“, sagte DeWoody. „Das ist etwa vierhundertmal schneller als das durchschnittliche Artbildungsereignis bei Säugetieren.“

Cyprinodon tularosa, eine vom Aussterben bedrohte Art, ist im Tularosa-Becken beheimatet. Natürliche Populationen leben in Salt Creek und Malpais Spring. Ressourcenmanager gründeten die beiden anderen Populationen in Lost River und Mound Spring in den 1960er und 1970er Jahren, wahrscheinlich von Salt Creek aus.

„Wir wussten, dass sie unterschiedlich sind, aber wir kannten die evolutionäre Kraft nicht, die diesen Unterschied verursacht“, sagte Erangi Heenkenda, eine der Hauptautorinnen der Studie, die diesen Monat an der Purdue University ihren Doktortitel in Forstwirtschaft und natürlichen Ressourcen erhielt.

Die Forscher betrachteten die Selektion als die treibende Kraft der Evolution, da der Salzgehalt, der Wasserfluss und die Parasiten in den Umgebungen von Salt Creek und Malpais Spring recht unterschiedlich seien, sagte Heenkenda.

Die Forscher sequenzierten das gesamte Genom einzelner Jungfische. Frühere Forschungen zu diesen Welpenfischen basierten auf begrenzten genetischen Proben. Heenkenda verglich den in der Studie beschriebenen Ansatz des gesamten Genoms mit dem Lesen eines ganzen Buches statt nur einiger Seiten.

„Wir hatten erwartet, einige Unterschiede in den Genen zu sehen, aber in Bezug auf die Selektion sahen wir diesen Unterschied nicht“, sagte Heenkenda, der bald seine Arbeit bei den National Veterinary Services Laboratories in Ames, Iowa, an einem Oak Ridge Institute for Science aufnehmen wird und Bildung Postdoktorandenstipendium. Sie entdeckten jedoch keine Gene, die den Fischen beispielsweise eine Salztoleranz verliehen.

„Diese Divergenz scheint in erster Linie auf ein hohes Maß an genetischer Drift in den letzten 5.000 Jahren zurückzuführen zu sein, die wir als ‚Drift-Artenbildung‘ bezeichnen“, sagte Co-Hauptautor Andrew Black, ein ehemaliger Postdoktorand in DeWoodys Forschungsgruppe. Jetzt am Center for Quantitative Life Sciences der Oregon State University stellte Black fest, dass es viele bekannte Fälle von Evolution gibt, die über Dutzende oder Tausende von Generationen hinweg auftreten.

„Diese werden typischerweise der natürlichen Selektion zugeschrieben. Die relative Rolle der Drift wird bei der Artbildung häufig übersehen oder ignoriert“, sagte Black. Er stellte fest, dass Faktoren wie kleine Populationen, geografische Isolation und das raue Wüstenökosystem, das zu Populationsengpässen führte, bei diesen Welpenfischpopulationen die genetische Drift gegenüber der natürlichen Selektion begünstigten.

„Ich frage mich, ob die Drift-Artenbildung wahrscheinlich auch bei anderen Arten von Wüstenwelpenfischen ein üblicher Evolutionsmechanismus ist“, sagte Black.

Der langsam ausbrechende Carrizozo-Lavastrom eines Vulkans im Süden von New Mexico bedeckte vor etwa 5.000 Jahren in zwei oder drei Jahrzehnten etwa 130 Quadratmeilen. Diese Barriere trug wahrscheinlich zur Entwicklung der neuen Art bei.

„Die genomischen Daten deuteten unabhängig von den geologischen Daten darauf hin, dass diese beiden Arten vor etwa 5.000 Jahren eine einzige waren“, sagte DeWoody. „Dann überlagert man die geologischen Daten. Dieser Carrizozo-Lavastrom ereignete sich ungefähr zu dieser Zeit. Das macht Sinn.“

Bei ihrer Analyse der Welpenfisch-Genvarianten stellten die Forscher fest, dass die angestammte Malpais-Spring-Population über einen langen Zeitraum eine große und stabile Population von mehr als 60.000 Individuen erreichte. Auch die angestammte Bevölkerung von etwa 15.000 Einwohnern in Salt Creek und Lost River blieb stabil.

Bei beiden Populationen kam es vor etwa 2.500 Jahren zu Engpässen – einem starken Größenrückgang. Die Engpässe bei den Populationen von Salt Creek und Lost River waren jedoch weitaus schwerwiegender als die Engpässe beim Malpais Spring-Welpenfisch.

Wenn Populationen schrumpfen, kommt es zu zufälligen Schwankungen der Genfrequenzen oder genetischen Drift. Kleinere Populationen unterliegen einem starken genetischen Drift, der große Populationen, wie etwa die riesigen Sardinenschwärme, die die Ozeane bevölkern, größtenteils unberührt lässt. In solch großen Populationen, sagte DeWoody, „kann die natürliche Selektion die Drift überwältigen, aber in kleinen Populationen überwältigt die Drift die Selektion.“

Zwei Populationen des White-Sands-Welpenfisches wurden bereits zuvor als Gebiete ausgewiesen, die verstärkter Schutzmaßnahmen bedürfen. Eine Population besteht aus dem Malpais Spring-Welpenfisch. Der Salt Creek- und der Lost River-Welpenfisch bilden die andere Population.

Aufgrund ihrer Ergebnisse forderten die Forscher eine Überarbeitung der Klassifizierung des Pupfischs auf Artenebene. Die Wissenschaftler empfehlen, die neue Art „verzauberter Pupfisch“ zu nennen, eine Anspielung auf den Bundesstaat New Mexico, der auch als „Land der Verzauberung“ bekannt ist.