Experimental speciation: selection against hybridization strengthens reproductive barriers and limits introgression

Evolutie wordt vaak voorgesteld als een langzame, gestage mars waarbij populaties uit elkaar drijven totdat ze elkaar niet langer als partners kunnen herkennen. Maar de natuur is zelden zo lineair. Wanneer twee groepen die lange tijd gescheiden zijn geweest plotseling weer samenkomen, staan ze voor een cruciale keuze: ze kunnen weer samensmelten tot één enkele groep, of ze kunnen nieuwe manieren ontwikkelen om afstand te bewaren. Een krachtige theorie genaamd versterking (reinforcement) suggereert dat als het mengen met de andere groep leidt tot zwak of ongezond nageslacht, natuurlijke selectie individuen zal bevoordelen die die gemengde huwelijken vermijden. Na verloop van tijd zou deze druk de barrières tussen de groepen moeten aanscherpen, waardoor ze meer onderscheidend worden. Hoewel dit idee al decennia een hoeksteen van de evolutietheorie is, is het extreem moeilijk gebleken om dit in real time te bewijzen. De meeste bewijzen komen van het vergelijken van soorten die al bestaan, wat het moeilijk maakt om te weten of de verschillen werden veroorzaakt door de noodzaak om slechte mengingen te vermijden of door andere omgevingsfactoren.

Een team van onderzoekers heeft nu dit proces rechtstreeks in het laboratorium zien gebeuren, waarbij ze fruitvliegjes gebruikten om een gecontroleerde versie te creëren van twee populaties die in contact komen. Ze zetten een experiment op waarbij ze twee verschillende groepen vliegjes dwongen te mengen, maar met een twist: ze zorgden ervoor dat elk nageslacht dat voortkwam uit een kruising tussen de twee groepen zou worden verwijderd voordat ze volwassen konden worden. Door dit te doen, creëerden ze een situatie waarin alleen de vliegjes die overleefden om zich voort te planten, degenen waren die erin slaagden om de "verkeerde" partner te vermijden. Na meer dan honderd generaties van deze druk ontdekten de onderzoekers dat de vliegjes inderdaad sterkere barrières tegen kruisbestuiving hadden ontwikkeld. De geschiedenis was echter genuanceerder dan een simpel "sterker is beter". De vliegjes ontwikkelden de meest effectieve barrières wanneer de druk om te mengen matig was, niet extreem. Bovendien waren de veranderingen niet uniform; de vliegjes ontwikkelden specifieke gedragingen om slechte matches te vermijden, maar alleen wanneer ze in een drukke sociale omgeving waren waar ze potentiële partners konden vergelijken, en de genetische veranderingen die verantwoordelijk waren voor dit proces waren geconcentreerd in specifieke regio's van hun DNA nabij de marker die werd gebruikt om de hybriden te identificeren.

Het experiment begon met twee laboratoriumpopulaties van fruitvliegjes die meer dan duizend generaties lang gescheiden waren gehouden. De ene groep, bekend als IV, en de andere, LHM, hadden subtiele verschillen ontwikkeld in hun DNA en paringsgewoonten. De onderzoekers introduceerden een hulpmiddel om deze verschillen te volgen: een gen dat de LHM-vliegjes groen liet oplichten onder speciaal licht. Vervolgens zetten ze vier verschillende scenario's op om te zien hoe de vliegjes zouden reageren. In één scenario mengden de twee groepen zich vrijelijk zonder gevolgen voor hun nageslacht. In een ander scenario mengden ze zich, maar de onderzoekers verwijderden elke generatie de helft van de oplichtende hybride nakomelingen. In een derde scenario verwijderden ze negentig procent van de hybriden. Ten slotte was er een controlegroep waar de twee populaties elkaar nooit ontmoetten. Het doel was om te zien of de druk van het verliezen van hybride nageslacht de inheemse vliegjes zou dwingen om manieren te ontwikkelen om de met de gloeiende indringers te paren.

De resultaten toonden aan dat de vliegjes inderdaad evolueerden, maar de uitkomst hing sterk af van hoe strikt de selectie was. In de groepen waar de helft van de hybriden werd verwijderd, werden de inheemse vrouwtjes veel beter in het vermijden van de gloeiende mannetjes. Ze ontwikkelden een voorkeur waardoor ze het verschil konden zien tussen hun eigen soort en de nieuwkomers, maar deze voorkeur trad alleen op wanneer ze in een sociale omgeving waren waar ze meerdere mannetjes tegelijkertijd konden zien en vergelijken. Wanneer ze alleen werden getest met een enkel gloeiend mannetje, vertoonden ze deze vermijding niet. Dit suggereert dat het vermogen om een partner te kiezen niet alleen een vaststaand kenmerk is, maar een gedrag dat evolueert in reactie op de sociale context. Interessant genoeg, in de groepen waar negentig procent van de hybriden werd verwijderd, ontwikkelden de vliegjes niet hetzelfde niveau van seksuele vermijding. De onderzoekers vermoeden dat door het verwijderen van zoveel hybriden, ze ook precies de individuen hadden verwijderd die als herinnering zouden dienen aan de kosten van vermenging, waardoor de feedbackloop die nodig is om de evolutie van sterke partnerkeuze aan te drijven, effectief werd afgesneden.

Naast gedrag ontwikkelden de vliegjes ook veranderingen in wat er na de paring gebeurt. Zelfs wanneer een vrouwtje al met een inheems mannetje had gepaard, was ze minder succesvol in het produceren van nakomelingen als ze later met een gloeiend mannetje zou paren. Deze "post-paringsbarrière", waarbij het lichaam van het vrouwtje de sperma van haar eigen soort lijkt te bevoordelen, ontwikkelde zich in zowel de matige als de strikte selectiegroepen. Dit geeft aan dat de evolutie verschillende paden vond naar hetzelfde doel: het voorkomen van ongeschikte hybriden. De matige groep gebruikte een combinatie van het vermijden van de verkeerde man eerst en het later afwijzen van zijn sperma, terwijl de strikte groep zwaarder vertrouwde op het mechanisme van sperma-afwijzing.

Om te begrijpen hoe deze veranderingen plaatsvonden, bekeken de onderzoekers de volledige genetische code van de vliegjes. Ze ontdekten dat de genetische verschillen tussen de inheemse vliegjes en de indringers niet gelijkmatig over het genoom verspreid waren. In plaats daarvan waren de genen die het meest veranderden, dicht gegroepeerd rond de specifieke locatie waar het gloeiende gen was ingevoegd. Dit is logisch, omdat het gloeiende gen fungeerde als een vlag voor de hybriden; elk gen dat vlak naast het bevindt op het chromosoom zou met het worden meegesleept en worden verwijderd wanneer een hybride werd gedood. In de loop van de tijd creëerde dit een zone van genetische resistentie waar het inheemse DNA puur bleef, terwijl de rest van het genoom een mix van beide populaties bleef. De onderzoekers identificeerden specifieke clusters van genen in deze zone die tekenen vertoonden van te zijn gevormd door natuurlijke selectie om de vliegjes te helpen de hybridisatie te vermijden.

De studie biedt een zeldzame, directe blik op hoe soorten onderscheidend kunnen worden terwijl ze nog steeds genen uitwisselen. Het bevestigt dat de angst voor het produceren van ongeschikte nakomelingen populaties kan aanzetten tot het ontwikkelen van sterkere barrières tegen elkaar, maar het onthult ook dat dit proces delicaat is. Als de druk te zwak is, worden de barrières niet gevormd; als het te sterk is, kan het mechanisme dat de verandering aandrijft, worden verstoord. De bevindingen suggereren dat de evolutie van nieuwe soorten geen eenvoudige, lineaire mars naar totale scheiding is, maar een complexe dans van sociaal gedrag, genetische koppeling en de precieze intensiteit van natuurlijke selectie. Door dit in real time te observeren, hebben de onderzoekers het concept van versterking van een theoretische voorspelling naar een geobserveerde realiteit gebracht, waarbij ze precies laten zien hoe het leven zich aanpast om zijn grenzen intact te houden.