Вчені створили найбільш повне генеалогічне дерево птахів

Глобальна команда дослідників побудувала найбільш повне та розгалужене генеалогічне дерево птахів на сьогодні, де детально описано еволюційні зв’язки між 363 видами птахів протягом 93 мільйонів років. Ця таблиця представляє 92% усіх родин птахів.

Цей прогрес став можливим значною мірою завдяки передовим обчислювальним методам, розробленим інженерами Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, у поєднанні з найсучаснішими суперкомп’ютерними ресурсами університету в Суперкомп’ютерному центрі Сан-Дієго. Ці технології дозволили дослідникам аналізувати величезну кількість геномних даних з високою точністю та швидкістю, заклавши основу для побудови найповнішого генеалогічного дерева птахів, яке коли-небудь було зібрано.

Цей прогрес детально описано у двох додаткових статтях, опублікованих 1 квітня в Nature і Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Оновлене генеалогічне дерево, опубліковане в Nature, виявило закономірності в еволюційній історії птахів після катастрофічного масового вимирання, яке знищило динозаврів 66 мільйонів років тому.

Дослідники спостерігали різке збільшення ефективної чисельності популяції, рівня заміщення та відносного розміру мозку у ранніх птахів, що проливає нове світло на механізми адаптації, які спонукали до диверсифікації птахів після цієї ключової події. У супровідній статті, опублікованій в PNAS, дослідники уважно вивчили одну з гілок нового генеалогічного дерева і виявили, що фламінго та голуби є більш віддаленими родичами, ніж показав попередній загальногеномний аналіз.

Ця робота є частиною проекту «10 000 геномів птахів» (B10K), багатоінституційного проекту під керівництвом Університету Копенгагена, Чжецзянського університету та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, метою якого є створення чернеткових послідовностей геномів для приблизно 10 500 існуючих видів птахів.

«Наша мета — реконструювати всю історію еволюції всіх птахів», — сказав Сіаваш Мірараб, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Інженерній школі Джейкобса в Сан-Дієго, який є співавтором статті Nature, а також перший і співавтор у статті PNAS.

Складання минулого

В основі цих досліджень лежить набір алгоритмів, відомий як ASTRAL, який лабораторія Mirarab розробила для визначення еволюційних зв’язків із безпрецедентною масштабованістю, точністю та швидкістю. Використовуючи потужність цих алгоритмів, команда об’єднала геномні дані з понад 60 000 геномних регіонів, забезпечивши надійну статистичну основу для своїх аналізів.

Потім дослідники вивчили еволюційну історію окремих сегментів геному. Звідти вони зібрали мозаїку генних дерев, які потім були зібрані у всеосяжне дерево видів. Цей ретельний підхід дозволив дослідникам побудувати нове та вдосконалене генеалогічне дерево птахів, яке окреслює складні розгалужені події з надзвичайною точністю та деталями, навіть у випадках історичної невизначеності.

«Ми виявили, що наш метод додавання десятків тисяч генів до нашого аналізу насправді був необхідним для вирішення еволюційних зв’язків між видами птахів», — сказав Мірараб. «Вам дійсно потрібні всі ці геномні дані, щоб з високою достовірністю відновити те, що сталося в цей певний період часу 65-67 мільйонів років тому».

Здатність команди проводити ці аналізи на величезних наборах даних стала можливою завдяки тому, що лабораторія Mirarab розробила їхні обчислювальні методи для роботи на потужних графічних процесорах. Вони провели свої розрахунки на суперкомп’ютері Expanse в Сан-Дієго Суперкомп’ютер Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

«Нам пощастило отримати доступ до суперкомп’ютера такого високого класу», — сказав Мірараб. «Без Expanse ми не змогли б за розумний проміжок часу запускати та повторно аналізувати такі великі набори даних».

Дослідники також розглянули вплив різних методів вибірки геному на точність дерева. Вони показали, що дві стратегії — секвенування багатьох генів від кожного виду, а також секвенування багатьох видів — разом важливі для реконструкції цієї еволюційної історії.

«Оскільки ми використовували суміш обох стратегій, ми могли перевірити, який підхід має сильніший вплив на філогенетичну реконструкцію», — сказав Жозефін Стіллер, професор біології Копенгагенського університету та провідний автор статті Nature . «Ми виявили, що важливіше брати зразки багатьох генетичних послідовностей з кожного організму, ніж брати зразки з більш широкого діапазону видів, хоча останній метод допоміг нам визначити, коли еволюціонували різні групи».

Виправлення минулого

За допомогою передових обчислювальних методів дослідники також змогли пролити світло на щось незвичайне, що вони виявили в одному зі своїх попередніх досліджень: певна ділянка однієї хромосоми в геномі птахів залишалася незмінною протягом мільйонів років, порожньою. очікуваних моделей генетичної рекомбінації.

Ця аномалія спочатку змусила дослідників неправильно згрупувати фламінго та голубів як еволюційних двоюрідних братів, оскільки вони були тісно спорідненими на основі цієї незміненої ділянки ДНК. Це тому, що попередній аналіз базувався на геномах 48 видів птахів. Але після повторного аналізу з використанням геномів 363 видів вдалося отримати більш точне генеалогічне дерево, яке віддалило голубів від фламінго. Щобільше, використовуючи шість високоякісних геномів, наданих Проектом геному хребетних (VGP) під керівництвом співавтора Еріха Джарвіса, професора нейробіології з Університету Рокфеллера, Мірараб і його колеги змогли виявити та ймовірно пояснити цю дивовижну закономірність.

«Дивно те, що цей період пригніченої рекомбінації може ввести аналіз в оману», — сказав Едвард Браун, професор біології Університету Флориди та співавтор статті PNAS . «І оскільки це могло ввести аналіз в оману, його можна було виявити більш ніж через 60 мільйонів років у майбутньому. Це найкрутіше».

Наступні кроки

Вплив цієї роботи виходить далеко за межі вивчення еволюційної історії птахів. Обчислювальні методи, започатковані лабораторією Мірараба, стали одним із стандартних інструментів для реконструкції еволюційних дерев для багатьох інших тварин.

Рухаючись вперед, команда продовжує свої зусилля, щоб створити повну картину еволюції птахів. Біологи працюють над секвенуванням геномів додаткових видів птахів у надії розширити генеалогічне древо до тисяч пологів птахів. Тим часом вчені-обчислювачі на чолі з Mirarab удосконалюють свої алгоритми для розміщення ще більших наборів даних, щоб гарантувати, що аналіз у майбутніх дослідженнях буде проводитися з високою швидкістю та точністю.