Patterns of phenotypic and genetic variation in Pogoniulus tinkerbirds and their role in interactions at contact zones

Abstract

Τα όρια των ειδών καθορίζονται κυρίως βάσει των φαινοτυπικών χαρακτηριστικών ή της μοριακής φυλογενετικής αλλά τα πρότυπα δεν είναι πάντοτε σταθερά. Επίσης, τέτοιες μεθόδοι μπορεί να αγνοήσουν το ρόλο των χαρακτηριστικών που είναι σημαντικά στην αναπαραγωγική απομόνωση. Εδώ, συγκρίνω τα πρότυπα διαφοροποίησης μερικών φαινοτυπικών (μορφολογία, φτέρωμα, τραγούδι) και γενετικών (μιτοχονδριακό και πυρηνικό DNA) χαρακτήρων και τους συγκρίνω με πειράματα που εξετάζουν την έκταση στην οποία χαρακτήρες σημαντικοί στην αναγνώριση των ειδών, αναγνωρίζονται μεταξύ των πληθυσμών. Πρώτα απ’όλα, εξετάζω ένα πρότυπο στο Pogoniulus bilineatus στην ανατολική Αφρική, όπου η ταχεία απόκλιση τραγουδιών μεταξύ των υποειδών είναι ασύμφωνη με τη φυλογενετική απόσταση. Παρά τον μικρότερο χρόνο απόκλισης, τα P. b. fischeri από την Κένυα και τη Ζανζιβάρη διαφέρουν δραματικά στο τραγούδι από το P. b. bilineatus. Αντίθετα, το P. b. conciliator, το οποίο απέκλινε πολύ πιο πρίν από τους άλλους δύο πληθυσμούς, μοιράζεται ακόμη το ίδιο τραγούδι με το bilineatus. Έχοντας δείξει πώς ο φαινότυπος και ο γονότυπος μπορούν να διαδραματίσουν κάποιο ρόλο στα όρια των ειδών, στη συνέχεια επικεντρώθηκα σε ένα ζευγάρι ειδών Pogoniulus που έχουν αποκλίνει για ακόμα μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και που συναντώνται σε μια σειρά ζωνών επαφής στην υποσαχάρια Αφρική, το οποίο μας επιτρέπει να καθορίσουμε πώς η μεταβολή του φαινοτύπου και του γονοτύπου μπορεί να επηρεάσει την έκταση στην οποία αναγνωρίζουν το ένα το άλλο ως ξεχωριστά είδη. Διαπίστωσα λοιπόν ότι παρά τα 10 εκατομμύρια χρόνια απόκλισης στο μιτοχονδριακό DΝΑ και τις διακριτές διαφορές στο φτέρωμα της κεφαλής, τα P. pusillus και τα P. chrysoconus στη νότια Αφρική υβριδίζονται εκτενώς, όπως αποκαλύφθηκε και από τις αναλύσεις των μικροδορυφορικών δεικτών. Τα τραγούδια των δύο ειδών στη νότια Αφρική συγκλίνουν στη ζώνη επαφής, όπως συμβαίνει και στην Τανζανία, αλλά παραμένουν διακριτά στην Κένυα και την Αιθιοπία. Οι γονιδιωματικές αναλύσεις των δεδομένων RADseq δείχνουν την διείσδυση των SNP στην Τανζανία, καθώς και στη νότια Αφρική, αλλά ελάχιστες ή καθόλου ενδείξεις διεισδυτικού υβριδισμού στην Κένυα. Ο ρόλος του τραγουδιού στη ρύθμιση της αναπαραγωγικής απομόνωσης υποστηρίζεται από πειράματα αναπαραγωγής τραγουδιών που δείχνουν ότι και τα δύο είδη ξεχωρίζουν το τραγούδι τους από το τραγούδι των άλλων ειδών στην Κένυα, αλλά όχι στην Τανζανία και τη νότια Αφρική. Τα δεδομένα από το RADseq χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τον εντοπισμό περιοχών του γονιδιώματος που διέπουν τον κόκκινο και κίτρινο χρωματισμό στο φτέρωμα του μπροστινού μέρους της κεφαλής. Μια Genome Wide Association Study (GWAS) έδειξε τρία γονίδια που ελέγχουν ειδικά την χρωστική των οφθαλμών (HPS4), την οπτική μάθηση (NDRG4) και την ανίχνευση ερεθισμάτων φωτός που εμπλέκονται στην οπτική αντίληψη (CACNA2D4) καθώς επίσης και αρκετά γονίδια που είναι γνωστό ότι ελέγχουν τη μορφολογική ανάπτυξη, αλλά δεν εντοπίστηκαν υποψήφια γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες που συνδέονται άμεσα με το χρωματισμό του φτερώματος όπως σε άλλα είδη, δίνοντας μας την ευκαιρία για μελλοντική έρευνα. Ωστόσο, αυτή η έρευνα υποδηλώνει ότι η απόκλιση στο τραγούδι διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην αναπαραγωγική απομόνωση και ότι σε μια μελλοντική έρευνα θα πρέπει να διερευνηθούν οι παράγοντες που οδηγούν στην απόκλιση του τραγουδιού καθώς επίσης και τα γονίδια που διέπουν κληρονομικούς χαρακτήρες του τραγουδιού.

Species limits are most typically determined based on phenotypic characters or molecular phylogenetics, but patterns are not always congruent. Also, such methods might ignore the role of traits important in reproductive isolation. Here I compare patterns of variation in several phenotypic (morphology, plumage and song) and genotypic (mitochondrial and nuclear DNA) characters, and compare them with experiments testing the extent to which characters important in species recognition are recognised among populations. Firstly, I examine a pattern in yellow-rumped tinkerbird Pogoniulus bilineatus in East Africa, where rapid song divergence between subspecies is discordant with phylogenetic distance. In spite of the shorter divergence time, P. b. fischeri from Kenya and Zanzibar differ dramatically in song from nominate bilineatus. By contrast, P. b. conciliator, diverged long before from the other two populations, yet shares the same song with nominate bilineatus. Having demonstrated how phenotype and genotype might play a role in species limits, I then focused on a species pair of Pogoniulus tinkerbirds that have been diverging for yet longer, and that meet in a series of contact zones in sub-Saharan Africa, allowing us to determine how variation in phenotype and genotype might affect the extent to which they recognise one another as separate species. I found that in spite of circa 10 my of divergence in mitochondrial DNA, and distinct differences in forecrown plumage, P. pusillus and P. chrysoconus in Southern Africa hybridise extensively, as revealed by microsatellite analyses. Songs of the two species in Southern Africa converge at the contact zone, as they do in Tanzania, but they remain distinct in Kenya and Ethiopia. Genomic analyses of RADseq data show introgression of SNPs in Tanzania, as well as in Southern Africa, but little or no evidence of introgressive hybridisation in Kenya. The role of song in mediating reproductive isolation is supported by playback experiments that show that both species discriminate between their song and the other species’ song in Kenya, but not in Tanzania and Southern Africa. RADseq data were also used to identify regions of the genome underlying red and yellow pigmentation in forecrown feathers. A Genome wide association study recovered three genes that specifically control for eye pigmentation (HPS4), visual learning (NDRG4) and detection of light stimulus involved in visual perception (CACNA2D4) and several genes known to control morphological development, but no candidate protein coding genes directly linked to feather pigmentation in other species had been identified, which highlights an avenue for future research. Nevertheless, this research suggests song divergence plays a critical role in mediating reproductive isolation, and further work should also explore the factors driving divergence in song and the genes underlying heritable song characters.