Studie enthüllt evolutionäre Geheimnisse einer rätselhaften Schlangenfamilie aus Südostasien

Eine neue genomische Untersuchung einer Gruppe unbekannter, aber einzigartiger „Schlammschlangen“ aus Südostasien an der University of Kansas schreibt die Evolutionsgeschichte dieser Familie namens Homalopsidae neu. Die Ergebnisse waren einfach veröffentlicht im Bulletin der Society of Systematic Biologists.

Arten von Schlammschlangen können in Süß-, Brack- oder Salzwassergebieten an der Küste und im Binnenland leben. Sie schlafen meist tagsüber und fressen nachts Fische und Krebstiere. Mittlerweile faszinieren sie auch zwei Generationen von KU-Forschern.

Die neue DNA-gestützte Untersuchung des Hauptautors Justin Bernstein, Postdoktorand am Center for Genomics der KU, ist ein Beispiel für Systematik: die Untersuchung der Entwicklung von Arten und ihrer Beziehungen im Laufe der Zeit.

Es baut auf einer „monumentalen“ Studie über Schlammschlangen auf, die 1970 von Ko Ko Gyi ohne DNA-Analyse durchgeführt wurde. Gyi war ein vielversprechender Evolutionsbiologe aus Myanmar, der während eines dreijährigen Stipendiums der Organisation der Vereinten Nationen für Erziehung, Wissenschaft und Kultur in der Abteilung für Herpetologie des Naturhistorischen Museums der KU forschte.

„Unsere neue Arbeit befasst sich mit den evolutionären Beziehungen und der Geschichte von Schlammschlangen, die hauptsächlich in Südasien, Südostasien, Australien und Neuguinea vorkommen – und sie sind sehr wenig erforscht“, sagte Bernstein. „Wir wissen trotz jahrzehntelanger Bemühungen, einschließlich der Bemühungen von Gyi, nicht viel über sie, weil sie ziemlich schwer zu finden sind. Es sind Wasserschlangen, die schlammige Umgebungen bevorzugen. Sie sind nachtaktiv. Nur sehr wenige Menschen.“ haben ihre Entwicklung untersucht.

Bernstein und seine Co-Autoren beleuchten mithilfe der Genomik die Evolutionsgeschichte der Schlammschlangen, indem sie genetische Analysen der mitochondrialen DNA älterer Museumsexemplare mit neueren genetischen Proben aus neueren Feldsammlungen kombinieren (die eine viel höher aufgelöste molekulare Analyse ermöglichen – sie verwendeten Daten von 4.800). Kernorte in jedem Genom).

„Wenn Sie ein Tier haben, das seit Tagen tot ist, und DNA aus diesem Gewebe extrahieren, wird sie abgebaut – sie wird nicht von hoher Qualität sein, was unsere Ergebnisse beeinträchtigt“, sagte Bernstein.

„Das bedeutet, dass wir es entweder nicht analysieren können, oder die Ergebnisse könnten irgendwie seltsam sein und wir können ihnen nicht vertrauen. Aber die Idee, DNA aus alten Exemplaren in Naturkundemuseen zu gewinnen, hat im letzten Jahrzehnt wirklich auf dem Vormarsch.“ . Während die DNA abgebaut wird, gab es in den letzten 10 Jahren Protokolle, um hochwertige DNA aus alten Proben zu gewinnen, die über 100 Jahre alt sind und aus naturhistorischen Sammlungen stammen.“

Die Forscher nutzten die mitochondrialen Daten dieser Museumsproben, um Wissenslücken zu schließen und eine genauere biogeografische Geschichte der Homalopsidae zu erhalten. Indem sie dies mit DNA-Proben neuerer Exemplare kombinierten, rekonstruierten sie den umfassendsten Stammbaum der Homalopsidae-Verwandtschaftsverhältnisse und zeigten, welche Arten von gemeinsamen Vorfahren abstammten und ungefähr wann.

Bernsteins Co-Autoren waren Hugo de Souza und Kartik Shanker vom Indian Institute of Science; John Murphy, Harold Voris und Sara Ruane vom Field Museum in Chicago; Edward Myers von der Clemson University und der California Academy of Sciences; Sean Harrington von der University of Wyoming und dem American Museum of Natural History; und Rafe Brown, verantwortlicher Kurator am KU Biodiversity Institute and Natural History Museum und Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie.

„Anknüpfend an Gyis bahnbrechende und grundlegende Arbeit konnte Justin einen technologischen Durchbruch erzielen, den wir heute als „Museumomics“ bezeichnen – die Extraktion und Sequenzierung degradierter DNA, selbst aus sehr alten, mit Formalin konservierten Proben, die erhalten blieben „Vor Dutzenden bis Hunderten von Jahren“, sagte Brown, der als „externes“ Mitglied von Bernsteins Doktorandenkomitee an der Rutgers-Universität fungierte.

„Natürlich ist die Qualität dieser stark degradierten DNA unterschiedlich, aber neue Genomsequenzierungstechnologien, bioinformatische Tools und sorgfältige Studien seitens Museumsbiologen haben Best Practices für die Rekonstruktion stark fragmentierter Genome von Proben entwickelt, die vor mehr als einem Jahrhundert konserviert wurden.“ . Justin hat diese neuen hochmodernen Werkzeuge erfolgreich genutzt, aber auch den Kreis seiner eigenen Forschung geschlossen, indem er historisch an Gyis Arbeit anknüpfte.“

Das neue Papier zeigt, dass ein lange vertretenes Konzept in Bezug auf Schlammschlangen falsch war. Jahrelang dachten Wissenschaftler (darunter auch Bernstein), dass eiszeitliche Schwankungen des Meeresspiegels als „Artenpumpe“ gewirkt haben könnten, die die Diversifizierung der Schlammschlangen vorantreibt. Tatsächlich lässt sich ein Großteil der regionalen Artenvielfalt auf den Anstieg und Abfall des Meeresspiegels zurückführen. Das neue Papier zeigt jedoch: „Änderungen des Meeresspiegels im Pleistozän und die Habitatspezifität führten nicht in erster Linie zum vorhandenen Artenreichtum der Homalopsidae.“

Stattdessen glauben Bernstein und seine Kollegen, dass ein wahrscheinlicherer Treiber für den Artenreichtum der Schlammschlangen etwa 20 Millionen Jahre früher, während des Oligozäns, stattfand, als gleitende tektonische Platten und sich verschiebende Flüsse in Südostasien den Genfluss wiederholt zwischen Schlammschlangengruppen unterbrochen und wiederhergestellt haben könnten. Diversifizierung vorantreiben.

„Obwohl wir nie genau beweisen können, was genau passiert ist, um die Diversifizierung bei Schlammschlangen auszulösen, können wir einige zuvor formulierte Hypothesen ausschließen oder ablehnen“, sagte Bernstein. „Da wir starke statistische Belege für die Diversifizierung vor pleistozänen Meeresspiegelschwankungen um 15 bis 20 Millionen Jahre gefunden haben, müssen wir nach alternativen Erklärungen oder neuen Wegen zur Interpretation der Produktion von Biodiversität suchen.“

Bernstein und Brown verweisen schnell auf die bahnbrechende Arbeit von Gyi über Schlammschlangen vor 50 Jahren, deren Arbeit nicht nur in der neuen Arbeit eine Rolle spielte, sondern deren Ideen auch durch spätere DNA-Tests bestätigt wurden.

„Gyi hat vor mehr als 50 Jahren eine monumentale Arbeit über diese Schlangengruppe abgeschlossen, und zwar ohne den Vorteil einer molekularen Analyse“, sagte Brown.

„Das ist an und für sich schon eine beachtliche Leistung – seine Arbeit war für die damalige Zeit durchaus umfassend, er nutzte wirklich das Beste aus den verfügbaren Technologien, wie zum Beispiel detaillierte Röntgenaufnahmen der Schädel aller Arten dieser mysteriösen Gruppe Schlangen, und in seiner Monographie von 1970 befasste er sich vollständig mit der Untersuchung der evolutionären Beziehungen der Schlammschlangen „von null auf 60“.

„Ich weiß, dass sein Berater, der verstorbene Bill Duellman, untröstlich war, als er erfuhr, dass Gyi unerwartet in Myanmar verstarb, kurz nachdem er die KU verlassen hatte. Aber hier an der KU würdigen wir immer noch die einzigartigen Beiträge von Ko Ko Gyi und feiern ihn sogar.“ bis heute, und seine Arbeit wird von den Forschern des Field Museum of Natural History, John Murphy und Harold K. Voris, und jetzt von Justin Bernstein weitergeführt.