Ledtrådar till snabb evolution gömde sig i fem afrikanska fiskar

Likt Darwins finkar som utvecklades från en enda fågelart till många specialiserade arter uppvisar ciklidfiskarna en enorm variation. Med över 2000 kända arter är de afrikanska cikliderna några av de mest utseendemässigt diversifierade organismgrupper på jorden.

För att bättre kunna förstå de molekylära orsakerna bakom anpassning och utveckling hos ryggradsdjur har forskare från Uppsala universitet, Broad Institute of MIT och Harvard sekvenserat genom (DNA) och transkriptom (RNA) hos fem afrikanska ciklidarter. Genom sina studier har de upptäckt ett antal egenskaper hos fiskarnas arvsmassa som möjliggör för dem att anpassa sig till nya miljöer och ekologiska nischer.

– Vår studie avslöjar ett spektrum av metoder i naturen som tillåter organismer att anpassa sig till olika miljöer. De här mekanismerna finns troligen även i människor och andra ryggradsdjur och genom att fokusera på den häpnadsväckande diversiteten bland ciklider kunde vi för första gången studera den här processen i stor skala,  säger medförfattaren Kerstin Lindblad-Toh, professor vid Uppsala universitet, Co-Director för SciLifeLab, samt gruppledare vid Broad Insititute, USA.

Ett mål med studien var att ta reda på vad som tillåter dessa fiskar att utveckla nya egenskaper så snabbt. Därför sekvenserades genom och transkriptom från fem distinkt olika afrikanska ciklidarter. Arterna inkluderar Niltilapia, som representerar den ”ursprungliga stammen” som de övriga fiskarna utvecklades från, samt fyra östafrikanska arter: en art som lever i en flod nära sjön Tanganyika, en art från Tanganyika som bebott sjön i 10 – 20 miljoner år, en ciklid som koloniserade sjön Malawi för fem miljoner år sedan och en art från Victoriasjön där fisken uppkom för bara 15 0000 – 100 000 år sedan.

Efter att insamlade data hade analyserats så hittade forskarna en överraskande mängd genetiska förändringar. Jämfört med den ”ursprungliga stammen” så uppvisade de östafrikanska fiskarnas arvsmassa ett övermått av genetiska duplikationer, förändringar i regulativa icke-kodande element i genomet, accelererad evolution av proteinkodande element, speciellt i gener som kodar för pigmentering, samt andra distinkta förändringar som påverkar genuttryck såsom transposabla element och reglering via mikroRNA.

Med andra ord var det inte en enda förändring utan många olika molekylära mekanismer som samverkade för att uppnå de iögonfallande anpassningarna och artbildningarna.

Vissa av förändringarna hade uppstått redan innan fiskarna lämnade floden för att kolonisera sjöarna. Detta pekar på att cikliderna under en period inte utsattes för ett starkt evolutionärt tryck. Under denna tid diversifierades fiskarna genom mutationer som inte påverkade deras överlevnadschanser väsentligt eftersom förhållandena var goda. Många av fiskarna överlevde, inte bara de mest välanpassade. Detta ledde till att stora genetiska skillnader uppstod och ansamlades i populationen. När fiskarna senare koloniserade nya miljöer i sjöarna kunde nya arter snabbt bildas eftersom det fanns en stor mängd mutationer och olikheter att utgå från i populationen. Den här reservoaren av mutationer fungerade som ett genetiskt verktyg som möjliggjorde snabba anpassningar.

Forskarna bakom studien menar på att ciklidernas förmåga att snabbt mutera gör dem intressanta som modellsystem för att studera fenomen som också finns hos andra organismer.

– Genom att studera hur populationer såsom fiskar anpassar sig och utvecklas under selektivt tryck kan vi lära oss mer om hur naturlig selektion påverkar människan med avseende på hälsa och sjukdom, säger Federica di Palma, författare till artikeln, tidigare baserad vid Broad Insititute, numera director of science vid The Genome Analysis Center, UK.

Studien gjordes i samarbete med forskare vid Eawag Swiss Federal Institute for Aquatic Sciences och Georgia Institute of Technology, samt över 70 forskare verksamma inom ciklidforskning internationellt.

Artikeln “The genomic substrate for adaptive radiation in African cichlid fish” publicerades online den tredje september i Nature, DOI: 10.1038/nature13726