Οριοθέτηση ειδών σε βορειοαμερικανικά Coachwhips and Whipsnakes
Η γνώση του αριθμού των ειδών σε μια ομάδα ειδών είναι απαραίτητη για τη διατήρηση, επειδή πρέπει να γνωρίζουμε τον αριθμό των ειδών σε μια ομάδα για να τα διατηρήσουμε. Είναι επίσης σημαντικό για τη μελέτη της εξελικτικής διαδικασίας, επειδή οι μελέτες μας για το πώς σχηματίζονται και αλλάζουν τα είδη βελτιώνονται εάν έχουμε μια πιο ακριβή κατανόηση του αριθμού των ειδών.
Η οριοθέτηση ειδών είναι η χρήση πολλαπλών τύπων μεθόδων για την παροχή υποστήριξης σε υποθέσεις σχετικά με τα όρια των ειδών. Οι διαδικασίες οριοθέτησης ειδών περιλαμβάνουν δύο στάδια:την αναγνώριση των πιθανών ειδών και τη δοκιμή των ορίων των ειδών. Σε αυτό το άρθρο, διεξάγουμε αυτά τα δύο βήματα χρησιμοποιώντας μια ομάδα φιδιών της Βόρειας Αμερικής που ονομάζονται coachwhips και whipsnakes (Genus Masticophis ). Για να εντοπίσουμε και να δοκιμάσουμε τα όρια των ειδών, συγκεντρώσαμε διάφορους τύπους δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων εξωτερικών μετρήσεων δειγμάτων φιδιών, δεδομένων μιτοχονδριακής αλληλουχίας και χιλιάδων δεικτών πυρηνικής ακολουθίας.
Η επιλογή μας από τα τρία σύνολα δεδομένων ήταν μια ισορροπία χρήσης παλιών και νέων τεχνικών. Πρώτον, συμπεριλάβαμε εξωτερικές μετρήσεις γιατί έτσι οι επιστήμονες εντόπισαν τα όρια των ειδών σε αυτές τις ομάδες πριν από την εποχή του DNA. Επιπλέον, οι εξωτερικές μετρήσεις εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται από πολλούς ερευνητές, ειδικά σε περιπτώσεις όπου το DNA δεν είναι διαθέσιμο, όπως συμβαίνει με παλιά δείγματα. Συλλέξαμε επίσης δύο είδη δεδομένων αλληλουχίας DNA, το πρώτο είναι το μιτοχονδριακό DNA, το οποίο μεταβιβάζεται μόνο από τη μητέρα και επίσης εξελίσσεται πολύ πιο γρήγορα από το πυρηνικό DNA. Έτσι, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το μιτοχονδριακό DNA για να αναγνωρίσουμε πρόσφατες εξελικτικές αλλαγές, καθώς και διαφορές στην εξελικτική ιστορία μεταξύ αρσενικών και θηλυκών.
Συγκεντρώσαμε επίσης χιλιάδες πυρηνικούς δείκτες DNA χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται αλληλουχία DNA συσχετισμένης θέσης περιορισμού διπλής πέψης (ddRAD). Η μέθοδος λειτουργεί με τυχαία διάτμηση του γονιδιώματος με ένζυμα και στη συνέχεια αλληλουχία όλων των θραυσμάτων DNA. Ευθυγραμμίζοντας τα κοινά θραύσματα μεταξύ των ατόμων, θα μπορούσαμε να αναζητήσουμε κοινές αλλαγές DNA εντός και μεταξύ των ειδών. Ωστόσο, μια πρόκληση με αυτή τη μέθοδο είναι ότι όταν αναλύετε είδη που έχουν μακρινή συγγένεια, το DNA είναι αρκετά διαφορετικό ώστε να μπορεί να διατμηθεί σε διαφορετικά σημεία, με αποτέλεσμα να καταλήγετε με λιγότερες αλληλουχίες DNA στο τέλος και πολλά δεδομένα που λείπουν . Θέλαμε να δοκιμάσουμε πώς αυτά τα δεδομένα αλληλουχίας που λείπουν επηρέασαν τις τελικές μας εκτιμήσεις για τα όρια των ειδών.
Εστιάσαμε τις αναλύσεις μας σε τρεις ομάδες ειδών, το coachwhip (Masticophis flagellum ), το νεοτροπικό μαστίγιο (Masticophis mentovarius ), και το μαστίγιο του Sonoran (Masticophis bilineatus; Φιγούρα 1). Τα Coachwhips διανέμονται στις Ηνωμένες Πολιτείες και προηγουμένως είχαν περιγραφεί έξι υποείδη. Το νεοτροπικό whipsnake έχει επίσης μεγάλη γκάμα, που κυμαίνεται από το βόρειο Μεξικό μέχρι τη Βενεζουέλα. Αυτό το είδος έχει πέντε αναγνωρισμένα υποείδη, ένα από τα οποία (Masticophis mentovarius striolatus) έχει ταξινομηθεί στο παρελθόν βάσει εξωτερικών χαρακτηριστικών τόσο ως μαστίγιο και ως νεοτροπικό μαστίγιο.
Τέλος, το Sonoran whipsnake έχει μόνο δύο αναγνωρισμένα υποείδη και έχει πολύ πιο περιορισμένο εύρος από τα coachwhips ή τα neotropical whipsnake. Πολύ λίγη πρόσφατη δουλειά είχε γίνει σε αυτά τα φίδια και τα περισσότερα από τα όρια και τις σχέσεις των ειδών βασίστηκαν σε εξωτερικές μετρήσεις κλίμακας και χρωματικά μοτίβα, αλλά όχι σε πρόσφατη αλληλουχία DNA. Μια πρόκληση με τη χρήση μόνο εξωτερικών χαρακτηριστικών είναι ότι μπορεί να αντικατοπτρίζουν την προσαρμογή στις τοπικές περιβαλλοντικές συνθήκες παρά στην εξελικτική ιστορία. Η αλληλουχία DNA πρέπει να αντικατοπτρίζει την εξελικτική ιστορία.
Εξερεύνηση ορίων ειδών σε αμαξάκια και μαστίγγια
Για να προσδιορίσουμε τα όρια των ειδών, εξετάσαμε πρώτα τα δεδομένα εξωτερικών μετρήσεων, πολλά από τα οποία είχαμε συγκεντρώσει από προηγούμενες μελέτες. Διαπιστώσαμε ότι θα χρησιμοποιηθούν εξωτερικά χαρακτηριστικά για την αναγνώριση των ειδών, ιδιαίτερα ο αριθμός των φολίδων της κοιλιάς και το χρώμα της κορυφής του ζώου. Ωστόσο, αυτά τα χαρακτηριστικά δεν αντιστοιχούσαν στην εξελικτική ιστορία, υποδηλώνοντας ότι η τοπική προσαρμογή, και όχι η εξελικτική ιστορία, μπορεί να προκάλεσε αυτές τις εξωτερικές διαφορές.
Στη συνέχεια, υπολογίσαμε τα φυλογενετικά δέντρα χρησιμοποιώντας τα μιτοχονδριακά δεδομένα. Τα φυλογενετικά δέντρα είναι γραφικές αναπαραστάσεις της εξελικτικής ιστορίας με βάση την ομοιότητα της αλληλουχίας του DNA. Βρήκαμε ότι τα μισά από τα αναγνωρισμένα υποείδη μαστιγίων ομαδοποιήθηκαν πιο κοντά με τα υπόλοιπα τα νεοτροπικά μαστίγγια και ότι το υποείδος του νεοτροπικού φιδιού με μπερδεμένο παρελθόν, Masticophis mentovarius striolatus, ομαδοποιούνται πιο στενά με το Sonoran whipsnake αντί για τα άλλα νεοτροπικά whipsnake! Με άλλα λόγια, η ιστορική κατανόηση των ορίων και των σχέσεων των ειδών δεν υποστηρίχθηκε καθόλου από τα δεδομένα της μιτοχονδριακής αλληλουχίας.
Τέλος, πραγματοποιήσαμε διάφορους τύπους αναλύσεων χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πυρηνικού DNA για να διερευνήσουμε περαιτέρω τα όρια και τις σχέσεις αυτών των ειδών. Στα πυρηνικά δεδομένα, ωστόσο, διαπιστώσαμε ότι ενώ υπήρχαν πιθανώς πολλά είδη μαστίγιου, όλα σχετίζονταν μεταξύ τους και δεν σχετίζονταν με τα νεοτροπικά φίδια όπως στα μιτοχονδριακά δεδομένα. Ωστόσο, Masticophis mentovarius striolatus ακόμα συγκεντρωμένος στενά με το μαστίγιο του Σονόραν. Αυτό υποδηλώνει ότι καθένα από αυτά τα είδη μεγάλης εμβέλειας μπορεί στην πραγματικότητα να περιέχει πολλά μη περιγραφόμενα είδη.
Δοκιμή υποθέσεων ορίων ειδών
Αν και μέχρι στιγμής είχαμε μια καλή ιδέα για τα όρια των ειδών και τις εξελικτικές σχέσεις μεταξύ των ειδών, δεν είχαμε ακόμα καμία μαθηματική υποστήριξη για τα όρια των ειδών. Με άλλα λόγια, θέλαμε να βάλουμε έναν αριθμό σχετικά με το πόσο πιθανό ήταν αυτά τα είδη να είναι «πραγματικά». Προκειμένου να εκτιμηθεί αυτή η τιμή πιθανότητας, χρησιμοποιήσαμε δοκιμές βασισμένες σε μοντέλα, που ονομάζονται μέθοδοι συγχώνευσης, για να παρέχουμε υποστηρικτικές τιμές για τις υποθέσεις του είδους μας.
Για κάθε υπόθεση είδους, εκτελέσαμε την ανάλυση συγχώνευσης και στο τέλος, μας έδωσε μια εκτίμηση για το πόσο πιθανή είναι αυτή η υπόθεση, με βάση τα δεδομένα αλληλουχίας DNA που παρέχαμε. Για παράδειγμα, συγκρίναμε την πιθανότητα ότι τα ανατολικά και τα δυτικά αμαξώματα ήταν ένα είδος ή δύο και στο τέλος είχαν μια αριθμητική τιμή για να μας πει ποια υπόθεση υποστηρίζεται καλύτερα. Τώρα, αυτό είναι το μέρος όπου εμφανίζονται τα δεδομένα που λείπουν, επειδή ο υπολογισμός της πιθανότητας είναι τόσο καλός όσο και τα δεδομένα ακολουθίας που παρέχετε. Εάν έχετε πεντακόσια γονίδια, έχετε περισσότερες πληροφορίες να χρησιμοποιήσετε στους υπολογισμούς. Ωστόσο, η συμπερίληψη περισσότερων γονιδίων με δεδομένα ddRADseq σημαίνει περισσότερα δεδομένα που λείπουν και δεν ήταν σαφές πώς αυτά τα δεδομένα που λείπουν θα επηρέαζαν τους υπολογισμούς πιθανότητας.
Τέλος, εκτελέσαμε τα μοντέλα για όλους τους συνδυασμούς σχέσεων ειδών με πολλά δεδομένα που λείπουν (<50%) και λιγότερα δεδομένα που λείπουν (<20%). Διαπιστώσαμε ότι το μοντέλο υποστήριζε τη διαίρεση όλων των υποειδών που δοκιμάσαμε σε ανεξάρτητα είδη και ότι περισσότερα ελλείποντα δεδομένα, που σήμαιναν περισσότερα γονίδια που περιλαμβάνονται στους υπολογισμούς, έδωσαν τις ίδιες απαντήσεις με τα δεδομένα που έλειπαν. Αλλά η συμπερίληψη περισσότερων γονιδίων παρείχε μεγαλύτερη υποστήριξη για το καλύτερο μοντέλο. Με άλλα λόγια, όλες οι αναλύσεις υποστήριξαν πολλά περισσότερα είδη μαστιγίων και μαστιγίων από ό,τι περιγράφηκε προηγουμένως, αλλά η τιμή πιθανότητας για περισσότερα είδη ήταν υψηλότερη με περισσότερα ελλείποντα δεδομένα λόγω των επιπλέον πληροφοριών που περιλαμβάνονται στις πρόσθετες αλληλουχίες γονιδίων. Στο τέλος της εργασίας μας, επιλέξαμε να ακολουθήσουμε μια συντηρητική προσέγγιση και να χωρίσουμε τα μαστίγια σε ανατολικό και δυτικό είδος, χωρισμένα στη μετάβαση μεταξύ των ερήμων Sonoran και Chihuahuan, και να ανυψώσουμε το Masticophis mentovarius striolatus στο Masticophis lineatus .
Αυτή η μελέτη κάνει δύο πρωταρχικές συνεισφορές στην επιστήμη. Πρώτον, διευκρινίζει τα όρια των ειδών και τις σχέσεις των μαστιγίων και των μαστιγίων. Οι υπηρεσίες διατήρησης μπορούν να επιλέξουν να διαχειρίζονται διαφορετικά αυτά τα είδη τώρα που έχουν ενημερωθεί τα όρια των ειδών. Επιπλέον, οι ερευνητές που μελετούν τις εξελικτικές διαδικασίες σε αυτήν την ομάδα θα έχουν μια καλύτερη ιδέα για το πώς εξελίχθηκαν γνωρίζοντας πού βρίσκονται τα όρια των ειδών. Δεύτερον, η μελέτη μας διαπίστωσε ότι η ύπαρξη περισσότερων δεδομένων που λείπουν, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιείτε ddRADseq, σας επιτρέπει να συμπεριλάβετε περισσότερους δείκτες DNA και έτσι αυξάνει την υποστήριξη για το καλύτερο μοντέλο. Με άλλα λόγια, η ύπαρξη πολλών δεδομένων που λείπουν (ή θορύβου ανάλυσης) τείνει να αντισταθμίζεται από τη συμπερίληψη περισσότερων κατασκευαστών.
