Gli usignoli di Kirtland, un tempo in pericolo di estinzione, mostrano ampi segni di consanguineità nel genoma

I warblers di Kirtland sono conosciuti anche come jack pine warblers, poiché il loro habitat riproduttivo è limitato alle giovani foreste di jack pine nel Michigan. La specie si è quasi estinta negli anni ’70 a causa della minaccia dell’habitat e il declino della popolazione è stato aggravato dai cowbirds dalla testa bruna, che depongono le uova nei nidi di altre specie di uccelli – compresi i warblers – e sottraggono risorse ai loro pulcini. Gli usignoli di Kirtland sono stati classificati come a rischio di estinzione ai sensi dell’Endangered Species Act del 1973. Grazie a una gestione intensiva e mirata durata diversi decenni, le popolazioni di usignoli di Kirtland si sono riprese. La specie è stata “cancellata” – non più considerata a rischio di estinzione – nel 2019, anche se, secondo i ricercatori, gli sforzi di gestione rimangono fondamentali per la sua sopravvivenza.

“Quando una popolazione attraversa un periodo in cui sono presenti pochi individui riproduttori, chiamato ‘collo di bottiglia’, c’è sempre la possibilità di consanguineità, che può portare a una ridotta sopravvivenza delle generazioni future”, ha affermato Anna María Calderón, dottoranda in biologia in il Penn State Eberly College of Science e primo autore dell’articolo. “La decisione del 2019 di rimuovere dall’elenco gli usignoli di Kirtland faceva riferimento a uno studio che non trovava prove evidenti di consanguineità, ma i test disponibili all’epoca non erano ad altissima risoluzione. Abbiamo utilizzato una tecnologia di sequenziamento aggiornata per ottenere un quadro più chiaro della diversità genetica e del potenziale di consanguineità tra questi uccelli canori.”

Come gli altri animali, gli uccelli ricevono una copia del loro genoma da ciascun genitore. Alcune varianti genetiche possono avere effetti negativi sulla sopravvivenza o sul successo riproduttivo di un animale. La probabilità di ricevere la stessa variante potenzialmente dannosa da entrambi i genitori aumenta con la consanguineità, quando individui geneticamente simili si accoppiano.

Precedenti test sulla diversità genetica – come quelli a cui si fa riferimento nella decisione di cancellazione – spesso si concentrano su un piccolo insieme di marcatori specifici sul genoma chiamati microsatelliti, che forniscono solo una parte del quadro. Tuttavia, i progressi nella tecnologia di sequenziamento consentono ora l’analisi poco costosa dell’intero genoma di più individui.

“Se si pensa al genoma come a un film sul progetto della vita, allora usare i microsatelliti è come cercare di ottenere la trama da una mezza dozzina di istantanee, mentre sequenziare l’intero genoma è come guardare un intero film con risoluzione 4K”, ha affermato David Toews, Louis Martarano Professore di biologia per lo sviluppo della carriera alla Penn State e co-leader del gruppo di ricerca. “Ci sono moltissime più informazioni da ottenere dal sequenziamento dell’intero genoma e la tecnologia moderna ha reso possibile tale analisi.”

I ricercatori hanno sequenziato l’intero genoma dell’usignolo di Kirtland e, come punto di confronto, hanno anche sequenziato l’intero genoma di due specie strettamente imparentate le cui popolazioni sono rimaste numerose e stabili: l’usignolo dal cappuccio e il codirosso americano. Il team ha esaminato specificamente una misura di consanguineità chiamata “corse di omozigosità”.

Una determinata zona del genoma è detta omozigote quando l’informazione genetica ottenuta dal genitore materno di un animale è la stessa informazione ottenuta dal genitore paterno. I percorsi di omozigosità (ROH) sono lunghi tratti di omozigosità collegati, a volte lunghi milioni di lettere dell’alfabeto genetico. ROH particolarmente lunghi indicano che gli individui che li portano sono il prodotto di recenti consanguineità, quando individui geneticamente simili si accoppiavano e avevano quindi maggiori probabilità di trasmettere la stessa informazione genetica. Tratti meno numerosi e più brevi indicano che i genitori di un individuo sono imparentati più lontanamente.

“I percorsi di omozigosità ci danno uno sguardo unico al passato e possono essere un indicatore della salute genomica della popolazione”, ha affermato Zachary Szpiech, assistente professore di biologia alla Penn State e l’altro co-leader del gruppo di ricerca. “Ad esempio, la ROH è stata a lungo associata al modo in cui altre specie sopravvivono nel loro primo anno. La ROH può anche segnalare varianti genetiche potenzialmente dannose, il che può essere utile quando si considera la conservazione dell’uccello.”

I ricercatori hanno trovato una ROH eccezionalmente lunga negli usignoli di Kirtland, indicando una consanguineità molto recente che non era stata precedentemente identificata in questa specie. Inoltre, hanno trovato molti ROH di piccole e medie dimensioni nei warblers di Kirtland, mentre le due specie strettamente imparentate non ne avevano quasi nessuno.

“Il contrasto tra gli usignoli di Kirtland e le specie a loro più vicine, che non hanno subito alcun collo di bottiglia nella popolazione, non potrebbe essere più netto”, ha detto Toews. “Non abbiamo trovato alcuna prova di consanguineità di sorta negli usignoli o nei codirosso americano e, in confronto, il livello di consanguineità per gli usignoli di Kirtland è quasi fuori scala. Abbiamo anche trovato un’alta frequenza di varianti genetiche potenzialmente dannose. Questo ci dà una chiara quadro di come la storia demografica degli uccelli canori può plasmare la loro diversità genetica.”

I ricercatori hanno notato che gli uccellini di Kirtland campionati non sembravano avere alcuna deformità fisica. Tuttavia, hanno affermato che la consanguineità potrebbe manifestarsi durante le fasi della vita che non hanno osservato, ad esempio durante lo sviluppo o il compito ad alta intensità energetica della migrazione, o influenzare aspetti del loro successo riproduttivo, come quante uova depongono o quante si schiudono. . Secondo Toews, il monitoraggio continuo di questi uccelli per chiarire gli impatti della consanguineità sarà fondamentale per i futuri sforzi di conservazione.

“Una questione aperta in questa specie è se la popolazione degli usignoli di Kirtland sia sempre stata piccola, o se una volta fosse grande e si sia estinta”, ha detto Calderón. “Possiamo effettivamente utilizzare ROH per esaminare il passato, utilizzando i tassi di ricombinazione – un modo in cui i genomi possono scambiarsi informazioni – per stimare quando sono apparse determinate combinazioni di informazioni genetiche. Da questo, possiamo vedere che la maggior parte dei segmenti di DNA all’interno la ROH breve in questi uccelli ha avuto origine tra il 1874 e il 1954, per lo più prima dei colli di bottiglia noti. Ciò suggerisce che gli uccellini di Kirtland potrebbero aver sempre avuto popolazioni di piccole dimensioni. Ciò ha senso data l’elevata specificità di questi uccelli per i giovani foreste di pini marittimi.”

Confrontando questi risultati con le informazioni sulla distribuzione e l’abbondanza delle specie, raccolte a partire dagli anni ’40, è possibile fornire informazioni sugli eventi che hanno modellato i genomi di questi uccelli. Ad esempio, i ricercatori hanno datato l’origine di molti segmenti di DNA all’interno della lunga ROH tra il 1940 e il 1981. Ciò è coerente con un improvviso collasso della popolazione iniziato all’inizio degli anni ’40, poiché questo collo di bottiglia si tradurrebbe in una ROH maggiore e più lunga. I ricercatori intendono anche sequenziare i genomi dei campioni museali, compresi gli uccelli raccolti già alla fine del 1800, per fornire ulteriore contesto attorno ad eventi geneticamente importanti.

“Sebbene gli usignoli di Kirtland siano celebrati come una storia di successo nella conservazione, sono altamente inbred e hanno un’alta frequenza di varianti genetiche potenzialmente dannose che potrebbero influire sulla loro capacità di persistere”, ha detto Calderón. “Il nostro lavoro costituisce un importante esempio di come le misure della salute genetica possano raccontare una storia diversa rispetto ai semplici numeri della popolazione. Entrambi devono essere considerati quando si valuta la ripresa di una popolazione e quando si prendono decisioni di conservazione.”

Oltre a Calderón, Toews e Szpiech, il gruppo di ricerca comprende anche Andrew Wood, un tecnologo di ricerca nel laboratorio di Toews al momento della ricerca e ora ricercatore post-dottorato presso l’Università del Minnesota.

Questa ricerca è stata supportata dai finanziamenti della Divisione di biologia ambientale della National Science Foundation degli Stati Uniti, del Penn State Huck Institutes of the Life Sciences e del Penn State Eberly College of Science.