The early stages of the speciation process - prezygotic reproductive isolation and diversification in passerines

Prosjektet søker å øke vår viten om de tidlige faser av artsdannelsen, ved hjelp av en kombinasjon av detaljerte eksperimenter og intensive genetiske analyser av nylig divergerte arter og underarter. Prosjektets første delmål går ut på å teste en potensiell reproduktiv isolasjonsbarriere knyttet til spermiedifferensiering og/eller interaksjon mellom spermier og det hunnlige reproduktive miljø. Postdoktor Becky Cramer har vært hovedansvarlig for dette delprosjektet. I delprosjektet har vi perfeksjonert en banebrytende eksperimentell metode, hvor svømmehastigheten til spermier fra hanner av to nærstående arter/underarter blir målt in vitro (under mikroskop) mens de svømmer i væske fra den ytre delen av den reproduktive kanalen til hunner av de samme to artene (dvs at spermiene blir testet både i hunnmiljøet til egen art og den nærstående arten). Slike eksperimenter har blitt utført i seks forskjellige arts/underartssystemer, med ulik grad av fylogenetisk slektskap: gråspurv/middelhavsspurv, svarthvit-fluesnapper/halsbåndfluesnapper, to blåstrupeunderarter, låvesvale/sandsvale, nattergal/sørnattergal og kjøttmeis/blåmeis. Resultatene viser at i ett av disse systemene, en hybridsone mellom svarthvit fluesnapper og halsbåndfluesnapper på Öland i Sverige, har hunnene hos svarthvit fluesnapper en indre mekanisme som bremser spermiene til halsbåndfluesnapperhanner over tid, noe som gjør at de har lavere sannsynlighet for å befrukte eggene deres. Det gir god evolusjonær mening at det er nettopp i dette systemet at en slik postkopulær utvelgelsesmekanisme fungerer, siden hybridavkom mellom disse to artene er lite levedyktige (seleksjon mot hybridisering) samtidig som svarthvithunner oftere ender i par med halsbåndhanner enn vice versa, siden sistnevnte er vanligere og mer dominante enn svarthvithanner. Svarthvithunner som ender i parforhold med en halsbåndhann reduserer risikoen for befruktning fra «feil» art, ved hjelp av parringer utenfor parbåndet (extra-pair copulations) med svarthvithanner kombinert med den indre mekanismen som gir halsbåndspermier redusert befruktningsdyktighet. For de andre systemene fant vi ikke klar evidens for en slik postkopulær reproduktiv isolasjonsmekanisme, noe som tyder på at slike mekanismer bare utvikler seg/beholdes hos nærstående arter hvor det er en reel sjanse for, og negativ effekt av, hybridisering. I gråspurv/middelhavsspurv-studiet fant vi at spermier fra høykvalitetshanner av middelshavsspurv faktisk gjør det bedre i gråspurvhunnvæske enn hva spermier til gråspurvhanner gjør, noe som er konsistent med en nylig påvist asymmetrisk genflyt inn i hybridarten som er dannet av disse to artene (italiensk spurv), hvor kombinasjonen middelhavsspurv hann og gråspurv hunn har vært spesielt suksessrik. De fire resterende studiesystemene representerer et spekter av divergens både i genetikk, utseende og spermiemorfologi, noe som viser at det at to søsterarter har utviklet forskjeller i primære kjønnskarakterer ikke er ensbetydende med at disse forskjellene fungerer som reproduktive barrierer. Prosjektets andre delmål består i detaljerte undersøkelser av den evolusjonære historien til to dype innenartsdivergenser (ravn og rødstjert), ved hjelp av avanserte genetiske analyser. Aktiviteten i dette delprosjektet kom sent i gang, på grunn av en forsinket oppstart for postdoktor Anna Kearns, som har hatt hovedansvaret for delprosjektet. Siden detaljerte genetiske analyser er meget tidkrevende fører dette til en tidsforskyvning for produksjonen av resultater, i form av publikasjoner, fra dette delprosjektet. Innsamling av materiale og de molekylære laboratorieanalysene er fullført. Forskningsteknikerne på prosjektet har brukt "next generation sequencing"-teknikker på ravn, rødstjert og blåstrupe (såkalt RAD- og ddRAD-sekvensering), noe som har generert store genetiske datasett for ytterligere testing av hypoteser om hvordan evolusjonen har foregått innen disse artene. Anna Kearns jobber nå med de bioinformatiske analysene og sammenskriving av resultater. Analysene er kommet lengst for ravn, som ser ut til å være et klart eksempel på artsdannelse i revers, dvs. at tidligere isolerte populasjoner i Nord-Amerika er i ferd med å smelte sammen på grunn av mangel på reproduktive barrierer. Dette meget omfattende arbeidet, med solide genetiske data fra mitokondrie-DNA, nukleære introner og et stort antall genom-vide SNP´er fra hele den geografiske utbredelsen til ravnen i Nord Amerika, vil sette standarden for fremtidige studier av tidlige faser av artsdannelse og dype divergenser innen arter.

Speciation is a fundamental evolutionary process in which lineages diverge to form new species. Understanding speciation processes is essential for understanding the evolution of biodiversity. The current proposal will target the early stages of speciatio n by performing experimental tests of hitherto unexplored mechanisms of reproductive isolation, and by detailed analyses of deep within-species divergences. Are species with deep within-species genetic splits on their way to speciation, or do they represe nt formerly distinct lineages in the process of remerging? The project has three main aims: (1) to perform experimental tests of the importance of sperm differentiation and/or interactions beween male gametes and female reproductive fluid, as reproductive barrieres in pairs of hybridizing bird subspecies/lineages (bluethroat and redstart) and species (pied and collared flycatcher, house and Spanish sparrow), (2) to test whether two passerines, showing very high levels of intraspecific divergence in mtDNA in sympatry (redstart and raven), are examples of speciation in reverse, using multiple nuclear markers, and (3) to determine the relative role of sexual selection, natural selection and geographic isolation in promoting speciation, by performing comparat ive analyses of passerines with deep intraspecific and shallow interspecific divergences. By bringing together a team of world-leading scientist on speciation and sexual selection in birds, and combining ground-breaking experiments, advanced multilocus mo lecular analyses and comprehensive comparative analyses across passerines, this project promises to bring significant advances in our understanding of diversification and the early stages of speciation.