Ongeveer 65 miljoen jaar geleden stortte een enorme asteroïde op de aarde neer. Terwijl terrestrische dinosaurussen dol zijn op beroemdheden Tyrannosaurus rex werden weggevaagd, begonnen veel vogels echt te bloeien. Gezien het feit dat er meer dan 10.000 soorten vogels op aarde zijn, is bloeien misschien zelfs een understatement. Het organiseren van de vogels in een nette stamboom is een enorme opgave, omdat er zoveel soorten zijn en hun evolutie een beetje onduidelijk is. Sommige vorderingen op het gebied van genomische sequencing en analyse beginnen echter een helderder beeld te schetsen van hoe de levende dinosauriërs op onze planeet zijn geëvolueerd.
In twee onderzoeken die op 1 april in de tijdschriften zijn gepubliceerd Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen (PNAS) en Natuurontdekken wetenschappers dat een genetische gebeurtenis ongeveer 65 miljoen jaar geleden hen heeft misleid over de ware evolutionaire geschiedenis van vogels. Een deel van één chromosoom vermengde zich niet met nabijgelegen DNA zoals zou moeten. Dit deel is slechts een klein deel van het genoom van de vogel, maar het was voldoende om het voor wetenschappers moeilijk te maken een meer gedetailleerde stamboom van vogels op te bouwen.
Een plakkerig stukje DNA
In 2014 hielp de vooruitgang in de computertechnologie die werd gebruikt om genomen te bestuderen wetenschappers bij het samenstellen van een stamboom voor de Neoaves. Deze groep omvat de meeste soorten vogels. Met behulp van de genomen van 48 soorten verdeelden ze de Neoaves in twee hoofdcategorieën. Duiven en flamingo’s zaten in één groep, en alle andere vogelsoorten behoorden tot een andere groep.
Toen een vergelijkbare genetische analyse werd herhaald met 363 vogelsoorten voor dit nieuwe onderzoek, zag het team dat er een andere stamboom ontstond. Deze wijst op vier hoofdgroepen en laat zien dat flamingo’s en duiven verder weg staan en dat alles teruggaat naar een bepaalde plek in de chromosomen.
[Related: Birds are so specialized to their homes, it shows in their bones.]
Binnen deze twee stambomen zocht het team naar verklaringen die hen konden vertellen welke juist waren. Ze vonden één plek in het genoom waar de genen niet zo met elkaar vermengd waren als zou moeten zijn gedurende miljoenen jaren van seksuele voortplanting.
“Toen we keken naar de individuele genen en welke boom ze ondersteunen, bleek plotseling dat alle genen die de oudere boom ondersteunen zich allemaal op één plek bevinden”, aldus co-auteur van de studie gepubliceerd in PNAS en bioloog Edward Braun van de Universiteit van Florida zei in een verklaring. “Daarmee is het allemaal begonnen.”
Vogels combineren de genen van vader en moeder in de volgende generatie, maar mengen eerst de genen die ze van hun piraten hebben geërfd bij het maken van sperma en eieren. Dit proces wordt recombinatie genoemd en het is iets dat ook bij mensen gebeurt. Recombinatie maximaliseert de genetische diversiteit van een soort door ervoor te zorgen dat geen twee broers en zussen precies hetzelfde zijn.
Een deel van één chromosoom vermengde zich niet met nabijgelegen DNA zoals het zou moeten, en bleef feitelijk miljoenen jaren bevroren in de tijd. Deze chromosomale sectie maakt slechts twee procent uit van het genoom van de vogel, maar het was voldoende om wetenschappers ervan te overtuigen dat de meeste vogels in twee brede categorieën kunnen worden gegroepeerd: Passerera en Columbea. Deze nieuwe en nauwkeurigere stamboom houdt rekening met dat gebrekkige deel van het vogelgenoom en identificeert vier grote groepen vogels.
Het team vond ook bewijs dat deze plek op het vogelchromosoom het recombinatieproces onderdrukte rond de tijd dat de dinosauriërs uitstierven. Het is niet duidelijk of het uitsterven van de Krijt-Tertiair-uitsterving van de dinosauriërs en deze genomische afwijkingen met elkaar verband houden.
Het resultaat van deze genetische onderdrukking is dat flamingo’s en duiven in dit ene plakkerige stukje DNA op elkaar lijken, maar dat de twee groepen feitelijk verder verwant zijn als we naar hun hele genoom kijken. Flamingo’s en duiven kunnen nu als genetisch verder weg worden beschouwd. Volgens het team zou dit soort vastgeroeste genetische mysteries zich kunnen verbergen in de genomen van andere organismen.
Een betere vogelstamboom bouwen
Een studie gepubliceerd in Natuur beschrijft een ingewikkeld diagram dat 93 miljoen jaar evolutionaire relaties beschrijft tussen 363 vogelsoorten, oftewel ongeveer 92 procent van alle vogelfamilies. Deze bijgewerkte stamboom onthulde patronen in de evolutionaire geschiedenis van vogels na het uitsterven van het Krijt-Tertiair.
[Related: Dinosaurs may have evolved into birds, but early flights didn’t go so well.]
De onderzoekers observeerden een scherpe toename in de effectieve populatiegrootte, het vervangingspercentage en de relatieve hersengrootte bij vroege vogels. Deze evolutionaire veranderingen werpen nieuw licht op de adaptieve mechanismen die hebben geleid tot de diversificatie van vogelsoorten na dit planeetveranderende uitsterven.
Om dit te doen, maakten ze gebruik van de kracht van een reeks computeralgoritmen die bekend staan als ASTRAL. Dit programma helpt om evolutionaire relaties snel en nauwkeurig af te leiden en stelt het team in staat genomische gegevens uit meer dan 60.000 regio’s in vogelgenomen te integreren. Vervolgens onderzoeken ze de evolutionaire geschiedenis van individuele segmenten in het genoom en stellen ze verschillende genenbomen samen om een grotere soortenboom te creëren.
“We ontdekten dat onze methode om tienduizenden genen aan onze analyse toe te voegen feitelijk noodzakelijk was om de evolutionaire relaties tussen vogelsoorten op te lossen”, zei co-auteur en UC San Diego computeringenieur Siavash Mirarab in een verklaring. “Je hebt al die genomische gegevens echt nodig om met groot vertrouwen te achterhalen wat er in deze specifieke periode 65-67 miljoen jaar geleden is gebeurd.
Deze computermethoden hielpen het team ook licht te werpen op hetzelfde deel van een enkel chromosoom in het genoom van de vogel dat miljoenen jaren onveranderd is gebleven, en maakte het moeilijk voor wetenschappers om deze veranderingen te bestuderen.
“Wat verrassend is, is dat deze periode van onderdrukte recombinatie de analyse zou kunnen misleiden,” zei Brown. “En omdat dat de analyse zou kunnen misleiden, zou het feitelijk ruim 60 miljoen jaar in de toekomst kunnen worden gedetecteerd. Dat is het leuke.”
In toekomstige studies zouden vergelijkbare computermodellen kunnen helpen bij het reconstrueren van evolutionaire bomen voor een reeks andere dieren. Het team hoopt hun inspanningen voort te zetten om een completer beeld van de evolutie van vogels te krijgen. Biologen gaan ook door met het sequencen van de genomen van andere vogelsoorten in een poging hun stamboom nog verder uit te breiden.
Het werk maakt deel uit van het internationale Bird 10.000 Genomes (B10K)-project, een multi-institutionele inspanning om ontwerpgenoomsequenties te genereren voor ongeveer 10.500 levende vogelsoorten.