Gyckelblommorna i Copperopolis och deras vissnande hybrider

Det var inte planerat att jag skulle ha tema gyckelblommor och genetiska bieffekter här, men så kom det ut en alldeles ny artikel från John Willis och hans kollegor: Kevin M. Wright m fl. (2013) Indirect evolution of hybrid lethality due to linkage with selected locus in Mimulus guttatus och det är helt enkelt för bra för att inte blogga om. Om två populationer av någon varelse varit separerade tillräckligt länge och några individer träffar på varandra och parar sig, så kan avkomman ha oväntade egenskaper. Ibland verkar hybriderna ovanligt stora och livskraftiga, och ibland har de olika problem eller är infertila. Det beror på olika sorters interaktioner mellan genetiska varianter från de båda populationerna som vanligtvis inte träffar på varandra. Infertilitet mellan hybrider, vilket kallas hybridinkompatibilitet, är ett steg mot reproduktiv isolering som skiljer arter åt.

Det finns populationer av Mimulus guttatus som anpassat sig inte bara till livet vid kusten utan också till livet vid en koppargruva där jorden är full av koppar: som i Copperopolis, California. Genetiska undersökningar från 70-talet och framåt har kommit fram till att det finns ett dominant mendelianskt anlag (ja, det har blivit ganska många av dem också på sista tiden) för koppartolerans som utmärker den här populationen. Det är nästan helt fixerat — det vill säga nästan alla individer har det — i Copperopolis, men väldigt ovanligt i andra populationer i närheten.

journal.pbio.1001498.g001

(Foto: Kevin Wright, CC:BY, figur 1 i en kommentar i samma tidskrift)

Men förutom koppartolerans orsakar det också hybridinkompatibilitet i korsningar med en del andra populationer. Hybriderna vissnar och lever sällan till reproduktiv ålder. Det verkar som att vissnandet är en genetisk bieffekt av koppartoleransvarianten. Men resultaten i den här artikeln visar att effekten beror av två olika varianter som ligger mycket nära varandra i genomet. Så istället för pleiotropi, samma variant som gör två saker, är det två länkade varianter. Men eftersom de är nära varandra ärvs de oftast tillsammans.

Hur tar en reda på om det är frågan om en eller flera varianter? Jo, gör korsningar, kartlägger egenskaperna och tittar efter rekombinationer mellan dem, naturligtvis! Jag ska bespara er detaljerna (inte för att de är så svåra; kolla artikeln om du är intresserad!), men författarna började med att kartlägga koppartolerans. De utgick från en korsning mellan koppartoleranta blommor och blommor från en populations om inte tål koppar, och backkorsade koppartolerant avkomma med blommor från Stinson Beach, California (inte heller koppartolerant) i flera generationer. I varje generation fanns så klart blommor som tålde koppar och de som inte gjorde det, och de kan titta efter genetiska markörer som är homozygota bland de icke-toleranta och heterozygota bland de toleranta. Varianten är ju dominant, så de icke-toleranta plantorna måste sakna den, medan de toleranta bör ha en kopia. På så sätt fick de fram 42 möjliga markörer, och när de sedan korsade samman avkomman och tittade efter associationer mellan markörer och tolerans fanns det bara en kvar som var kopplad till koppartolerans.

Så, när de placerat toleransvarianten på sin genetiska karta (rätt nära markören som heter MgSTS242) vände de sig till inkompatibiliteten. Samma variant eller en annan? De valde ut några plantor ur sin experimentpopulation som hade en rekombination mellan markören och toleransvarianten och korsade dem med en inkompatibel genotyp. Om varianterna ärvs tillsammans borde de flesta koppartoleranta få vissnande avkomma och de som inte tål koppar borde få frisk avkomma. Men några av dem, två rekombinanta blommor av nio, avvek från mönstret: en var koppartolerant men fick livskraftig avkomma; en annan var intolerant men gav upphov till vissnande hybrider (panel C i Figur 3, nedan: titta på 25_E01 och 25_E11). Det går alltså att skilja de två egenskaperna med rekombination — de kan alltså inte vara samma anlag!

journal.pbio.1001497.g003

(Figur 3 från Wright et al. CC:BY.)

Varianten för koppartolerans verkar ha varit med om naturligt urval i Copperopolispopulationen (åh, vilket ord!) de senaste 150 åren och naturligt urval lämnar (i alla fall under ideala förhållanden) spår i genomet. Urvalet betyder ju att en viss variant sprids på bekostnad av de andra allelerna, så den genetiska variationen minskar. Och på grund av länkning kommer varianter som ligger fysiskt nära varandra att tendera att ärvas tillsammans; det kallas hitch-hiking: metaforen är att de liftar med den urvalda varianten. Alltså minskar variationen i ett område kring den utvalda varianten. Författarna mätte hur mycket markörer nära tolerans- och inkompatibilitetsvarianterna varierade i Copperopolis och i två närliggande populationer som utan koppartolerans och jämförde det med andra markörer långt från toleransvarianten. Och mycket riktigt, regionen bär märken av starkt naturligt urval; och de uppskattar att inkompatibilitetsvarianten ligger tillräckligt nära toleransvarianten för att det är realistiskt att den bara har hängt med på naturligt urval för koppartolerans.

Så: frågan om länkning eller pleiotropi har i det här fallet ett definitivt svar: nej, är inte samma genetiska variant som orsakar koppartolerans som får hybriderna att vissna. Att ta reda på vilka gener och vilka varianter det är som ligger bakom är däremot inte helt enkelt. Gyckelblomman har tyvärr ingen riktigt bra referenssekvens, utan en stor samling fragment (jämför Darwinfinkarna). Författarna försökte bäst de kunde att kartlägga de bitar som finns men gick i stort sett bet. Det är också svårt att veta precis vad det är i området som gynnats av naturligt urval, men det verkar i alla fall tydligt att naturligt urval har ägt rum, och sannolikt har det gällt koppartolerans, som verkar helt avgörande för att kunna leva i Copperopolis. Hybridinkompatibiliteten, däremot, verkar inte ha någon direkt nytta, och den är antagligen bara en genetisk liftare.

Litteratur

Wright KM, Lloyd D, Lowry DB, Macnair MR, Willis JH (2013) Indirect Evolution of Hybrid Lethality Due to Linkage with Selected Locus in Mimulus guttatus. PLoS Biol 11(2): e1001497. doi:10.1371/journal.pbio.1001497

Annonser

Gyckelblommor och en annan inverterad kromosombit

Mer inversioner! Det här är en artikel jag valde till en faktisk journal club den här veckan: David Lowry & John Willis (2010) A Widespread Chromosomal Inversion Polymorphism Contributes to a Major Life-History Transition, Local Adaptation, and Reproductive Isolation. Jag tycker det kunde vara roligt att titta på den här också; den har ett annat exempel på en inversion med intressanta genetiska effekter. Möt gyckelblomman: Mimulus guttatus. M. guttatus finns tydligen här och där i Sverige där den rymt från någon trädgård, men framför allt bor den i Nordamerika. Den har både fleråriga varianter och annuella varianter, alltså sådana som blommar en säsong och inte övervintrar. Att leva som perenn eller annuell verkar vara en lokal anpassning till miljön. Lowry & Willis har tittat på gyckelblommor längs USA:s och Kanadas östkust. Perennvarianterna finns mest längs kusten (några populationer i inlandet), medan annuella varianter bara finns i inlandet.

Yellow_monkeyflower

(Foto: Christophermluna [CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons)

Inversioner — alltså en variant där en bit kromosom vänt sig och sitter i omvänd riktning. Det speciella med dem är att de hindrar rekombination mellan den omvända och den ursprungliga varianten och skapar ett stort block som ärvs tillsammans. Det finns flera exempel på inversioner som gör olika saker och är föremål för naturligt urval; jag vet inte om det är för att just inversioner är särskilt viktiga eller för att de är en typ av stor mutation som går att se på en genetisk karta. Om en ser en grupp markörer som hela tiden ärvs tillsammans tänker en genast på en inversion. Den här artikeln är bara en i en lång serie arbeten med genetisk kartläggning i olika korsningar av M. guttatus, och vid någon punkt har de sett ett stort svart hål i den genetiska kartan och tänkt: aha, inversion.

Så de korsade alltså gyckelblommor från olika populationer med olika levnadssätt och tittade efter rekombinationer och efter markörernas ordning i den inverterade regionen, och mycket riktigt: inversionen är minst två miljoner baser lång och associerad med levnadssätt: perenner har en variant, annueller den andra. Den här artikeln är rolig för att den använder två klassiska typer av experiment för att titta på lokala anpassningars genetik: gemensam trädgård och transplantation. Om en planterar växter från olika miljöer tillsammans, i samma miljö, kan en se hur stor del av skillnaden dem emellan som beror på ärftliga faktorer. Exempel: Björkallén i den genetiska trädgården vid Ultuna. Jag har aldrig varit där, men Erik i Ulleråker har bloggat och tagit en bild. Allén består av björkar från olika delar av Sverige, ordnade från syd till norr. Även om de står i samma miljö så fäller de sina blad vid olika tid och illustrerar björkars lokala anpassning till olika klimat.

Så de prövade att korsa olika populationer med varandra för att testa effekten av inversionen. (Det är alltså länkningskartläggning igen, fast nu bara med en markör) Figur 2 nedan visar tid till blomning i ett gäng olika korsningar: BB är de som har två kopior av perennallelen, AB är en av varje och AA är två kopior av annuellallelen. (Erkännande: Ja, jag skrev ”allel” istället för variant bara för att få skriva ”annuellallelen”.) De med perennvarianten blommar betydligt senare och inversionen verkar ha en additiv effekt (det vill säga, de med allel av varje ligger ungefär mitt emellan de med två lika) och inversionen förklarar 20-45% av skillnaden mellan föräldrarna. Lägg märke till skalan på y-axeln: i medeltal är det lite olika blomningstider i de olika korsningarna, men det är inte helt lätt att jämföra när de har börjat axeln på olika ställen … Det är en viss skillnad i utseende också: se fotografiet.

mimulus_fig2

(Figur 2, Lowry & Willis CC-BY)

Transplantation då: att flytta växter mellan olika miljöer för att se om hur bra de klarar sig. Om de inhemska växterna klarar sig och förökar sig bättre tyder det på att lokal anpassning är i faggorna. Så Lowry & Willis (och de mängder folk som hjälpt till och tackas i Acknowledgements) tog fram korsningar av gyckelblommor från olika ställen med olika varianter av inversionen och planterade ut dem vid kusten respektive inlandet. Och mycket riktigt, de mätte hur många växter av olika genotyp som överlevde, när de blommade och hur många blommor de hade. Gyckelblommor från kusten klarar sig betydligt bättre vid kusten än de från inlandet, och en femtedel eller så av den skillnaden verkar förklaras av inversionen. Svårast är det för kustplantor med perennallelen att klara sig i inlandet: det är för varmt och säsongen för kort för att de ska hinna med att blomma.

Så någonstans i den här två miljoner baser långa dna-biten finns något som har en avsevärd effekt på växtens blomningstid, form och överlevnad i olika miljöer: hela dess livsstil. Om det är en eller flera varianter i inversionen eller om det är en effekt av inversionen själv är inte lätt att veta. Antagligen finns det någon genetisk variant som bidrar till lokal anpassning som råkat hamna på en inverterad kromosombit och så sprids inversionen som en bieffekt av naturligt urval för den varianten. Åter igen: det är ironiskt att innehållet i en inversion blir extra intressant och samtidigt, just för att inversionen hindrar rekombination, väldigt mycket svårare att studera genetiskt.

Litteratur

Lowry DB, Willis JH (2010) A Widespread Chromosomal Inversion Polymorphism Contributes to a Major Life-History Transition, Local Adaptation, and Reproductive Isolation. PLOS Biology 8 e1000500. doi:10.1371/journal.pbio.1000500