De trekduif staat bekend om de enorme omvang van zijn historische populatie in Noord-Amerika (geschat op 3 tot 5 miljard) en om zijn snelle uitsterven in het aangezicht van massale slachting door mensen. Toch blijft het een mysterie waarom de soort niet in staat was te overleven in ten minste een paar kleine, geïsoleerde populaties.

een theorie, wat consistent is met de bevindingen van een nieuwe studie die op 17 november is gepubliceerd in Wetenschap , suggereert dat trekduiven goed aangepast waren aan het leven in grote zwermen, maar slecht aangepast aan het leven in kleinere groepen, en de verandering in populatieomvang gebeurde zo snel dat ze zich niet konden aanpassen.

"Passagiersduiven deden het tienduizenden jaren heel goed, en toen stierven ze plotseling uit. Paradoxaal genoeg, hun enorme populatieomvang kan een factor zijn geweest bij hun uitsterven, " zei corresponderende auteur Beth Shapiro, hoogleraar ecologie en evolutionaire biologie aan UC Santa Cruz.

Shapiro's team keek naar de genetische diversiteit van trekduiven, met behulp van DNA dat is teruggevonden uit museumexemplaren. De onderzoekers bevestigden eerdere waarnemingen van een opmerkelijk lage genetische diversiteit in de trekduivenpopulatie. Maar waar eerdere onderzoekers bewijs zagen van een onstabiele populatie die schommelde tussen hoogte- en dieptepunten, de nieuwe studie kwam tot heel andere conclusies.

"Wat we gedaan hebben, wat de vorige studie niet deed, was om te kijken naar variatie in diversiteit over het genoom. We ontdekten dat het niet alleen lager was dan verwacht in het algemeen, het was ook meer variabel, en we konden zien waar die regio's met een hoge en lage diversiteit zich in het passagiersduivengenoom bevinden, " zei eerste auteur Gemma Murray, een postdoctoraal onderzoeker in Shapiro's Palegenomics Lab aan de UC Santa Cruz.

De analyse onthulde patronen in het passagiersduivengenoom, wat erop wijst dat de lage genetische diversiteit van de soort het resultaat was van natuurlijke selectie die de snelle verspreiding van gunstige mutaties door de populatie en de eliminatie van slechte mutaties veroorzaakte. De onderzoekers vonden niet dezelfde patronen van genetische diversiteit over het genoom in de nauw verwante bandstaartduif, die een relatief kleine populatie heeft van ongeveer 2 miljoen inheems in het westen van Noord-Amerika.

"Toen we keken naar de mate van adaptieve evolutie en zuiverende selectie bij beide soorten, we vonden bewijs dat natuurlijke selectie had geleid tot zowel een snellere adaptieve evolutie bij trekduiven als een snellere zuivering van schadelijke mutaties, "Zei Murray. "Dat is precies wat je zou verwachten als selectie de verschillen in genetische diversiteit veroorzaakt."

Wanneer een gunstige mutatie zich door een populatie verspreidt, het draagt ​​aangrenzende stukken DNA met zich mee, dus volgende generaties dragen niet alleen de goede mutatie, maar hele secties van identiek DNA. Deze regio's met een lage diversiteit kunnen worden opgebroken door recombinatie, het proces waarbij gepaarde chromosomen stukjes DNA uitwisselen tijdens de vorming van eieren en sperma (wat verklaart waarom ouders geen exacte kopieën van hun chromosomen doorgeven aan hun nakomelingen).

Recombinatie komt minder vaak voor in het midden van chromosomen dan aan de uiteinden, een tendens die vooral uitgesproken is bij vogels. In het passagiersduivengenoom, de onderzoekers ontdekten dat gebieden met een lage genetische diversiteit zich in het midden van chromosomen bevonden, terwijl regio's met een hogere diversiteit aan de uiteinden zaten.

"Aan de uiteinden van de chromosomen, niets wordt meegesleurd met de gunstige mutatie vanwege de hoge mate van recombinatie, ' legde Shapiro uit.

Toen de onderzoekers keken naar welke soorten genen bewijs van adaptieve evolutie vertoonden, ze vonden er veel die verband konden houden met aspecten van de ecologie van trekduiven en de eisen van het leven in grote koppels. Onder de 32 genen met sterk bewijs van adaptieve evolutie bevonden zich genen die verband houden met het immuunsysteem en stressvermindering (grote, dichte populaties hebben vaak een hoge ziektelast en sociale stress) en met het vermogen om veel bepaald voedsel te eten.

Deze bevindingen komen overeen met het idee dat de aanpassing van de trekduif aan grote populaties een risico kan zijn geworden toen hun populatie werd verminderd. "Onze bevindingen passen bij dat verhaal, en we vinden geen bewijs dat de populatie onstabiel was voordat mensen op hen begonnen te jagen, ' zei Murray.

De studie heeft ook belangrijke theoretische implicaties voor populatiegenetici. Populatietheorie voorspelt dat soorten met grote populaties een grotere genetische diversiteit moeten hebben dan die met kleinere populaties, maar deze voorspelling gaat ervan uit dat het grootste deel van het genoom "neutraal" evolueert door genetische drift, het accumuleren van willekeurige mutaties zonder gunstige of schadelijke effecten. Populatiegenetici gebruiken vaak modellen die neutrale evolutie veronderstellen om conclusies te trekken over de geschiedenis van een populatie.

"Het is een algemene veronderstelling dat als een soort een lage genetische diversiteit heeft, het ging ergens in het verleden door een bevolkingsknelpunt, ' legde Murray uit.

Maar theoretische voorspellingen over de relatie tussen populatiegrootte en genetische diversiteit worden in de echte wereld niet bevestigd. Dit staat bekend als de paradox van Lewontin (naar evolutiebioloog Richard Lewontin), en volgens Shapiro, het kan zijn omdat natuurlijke selectie efficiënter is in grotere populaties en de effecten van willekeurige veranderingen kan overspoelen, waardoor de aanname van neutrale evolutie ongeldig is.

Er wordt voorspeld dat natuurlijke selectie een grotere invloed zal hebben op grote populaties, zowel omdat het waarschijnlijker is dat sterk gunstige mutaties optreden, en ook omdat in kleine populaties, willekeurige gebeurtenissen hebben een groter effect op wat wordt doorgegeven aan de volgende generatie.

Bewijs ter ondersteuning van deze verklaring van Lewontin's paradox werd gepresenteerd in een artikel uit 2015 van Russell Corbett-Detig, assistent-professor biomoleculaire engineering aan UC Santa Cruz en een co-auteur van het nieuwe artikel. De trekduif en de bandstaartduif, vergelijkbare soorten met zeer verschillende populatiegroottes, bood een perfecte gelegenheid om het idee te testen, zei Shapiro.

"De interactie tussen het recombinatielandschap en de enorme populatieomvang van trekduiven stelt ons in staat om te zien wat er achter de paradox van Lewontin zit, " zei Shapiro. "Bij de meeste soorten, het is waarschijnlijk veilig om aan te nemen dat het grootste deel van het genoom neutraal evolueert, maar voor soorten met zeer grote populaties willen we misschien aarzelen. Deze tools die genetische diversiteit gebruiken om conclusies te trekken over historische veranderingen in de grootte van een populatie, werken helemaal niet voor de trekduif."