Vissen en ‘big data’ brengen evolutionaire complexiteit boven water

Voor het wisselen van de eeuw was het snel en accuraat inlezen van DNA één van de voornaamste uitdagingen binnen de biologie en het medisch onderzoeksveld. Tegenwoordig kan dit zo snel en goedkoop dat het probleem zich compleet verschoven heeft. Hoe kunnen we ooit al de geproduceerde genetische data verwerken? Nieuwe software en technieken worden volop ontworpen om hiermee om te gaan. Dat deze uitgebreide informatie ook kostbare inzichten met zich meebrengt, blijkt onder meer uit nieuw onderzoek van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen. Voorlopige resultaten van hun onderzoek op Afrikaanse vissen draagt bij aan het groeiende besef dat kruisingen tussen verschillende diersoorten meer invloed heeft op hun evolutie dan aanvankelijk gedacht.

Simpel

Al sinds de mensheid uit zijn wieg kroop en zijn eerste woordjes stamelde, heeft hij de neiging om de wereld rondom hem af te bakenen en in vakjes op te delen. Zo ging het ook voor de planten en dieren die hij aantrof. Alle levende wezens werden keurig voorzien van een soortnaam. Paarden en koeien zijn twee verschillende soorten, met hun eigen unieke eigenschappen. Simpel. Sinds de inzichten van Darwin en de introductie van het concept evolutie, worden die aparte soorten netjes aan elkaar gelinkt met stambomen. Voortaan zijn het paard en de ezel nauwer aan elkaar verwant dan één van beiden aan de koe. Simpel.

Dan toch niet zo simpel?

Al snel bleek echter dat de stamboom van het leven toch net iets ingewikkelder in elkaar zat. Onder meer in het rijk van de planten ontdekte men dat zogenaamd aparte soorten niet altijd even strikt afgebakend zijn. Kruisingen tussen plantensoorten zijn niet enkel mogelijk, ze komen ook regelmatig voor en hebben ongetwijfeld een belangrijke rol gespeeld in de evolutie van planten. Als gevolg van een kruising kan genetisch materiaal uitgewisseld worden tussen twee soorten, waardoor nieuwe eigenschappen de kop kunnen opsteken. Dit kan zelfs resulteren in een compleet nieuwe soort, zoals het geval is met de pindaplant. Dat ook diersoorten kunnen kruisen, is bekend van voorbeelden zoals het muildier, een nakomeling van een paard en een ezel. Het muildier en andere dierlijke hybriden zijn echter in regel onvruchtbaar, in tegenstelling tot veel hybride planten. Dit betekent dat er steeds een paard en een ezel nodig zijn om een muildier voort te brengen, wat verhindert dat muildieren op zichzelf een nieuwe soort kunnen vormen. Biologen beschouwden dierlijke kruisingen dan ook lang als een evolutionair dood spoor, van weinig belang bij het opstellen van een grote stamboom der dieren. Daar is recentelijk verandering in gekomen.

Bio-informatica

Waar evolutionair onderzoek naar verwantschappen tussen soorten en processen zoals kruisingen vroeger voornamelijk gebruik maakte van fysieke en gedragseigenschappen, is later de aandacht verschoven naar het verkrijgen en analyseren van genetische informatie, in hoofdzaak DNA. Moderne technieken voor DNA-onderzoek genereren zoveel informatie dat er aangepaste methoden nodig zijn om deze enorme hoeveelheden data te verwerken en om te zetten naar biologisch zinnige verhalen. Dit is waar de bio-informatica in het spel komt. De discipline kwam op in de tweede helft van de vorige eeuw en gebruikt vergaande computersoftware om grote hopen biologische data te ontrafelen. Ondertussen is het gebruik ervan doorgedrongen in de evolutionaire biologie en daar in sneltempo een prominente, zo niet dé belangrijkste methodologische plaats aan het innemen.

Cichliden dragen hun steentje bij

Het onderzoek naar de rol van kruisingen tussen soorten in de natuurlijke evolutie van dieren vereist een gepast studieobject. Veel onderzoek is reeds verricht op Heliconius-vlinders en stekelbaarsjes, maar ook in de evolutie van grote katachtigen en veel andere groepen blijken historische periodes van kruisingen een invloed gehad te hebben op de hedendaagse soorten. Het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen te Brussel besloot zich, in samenwerking met enkele Belgische partners, toe te leggen op Ophthalmotilapia, een geslacht van cichliden. Het betreft vier kleine, maar kleurrijke vissoorten uit het Afrikaanse Tanganyikameer. Sinds 2014 kreeg dit vorm als het GENBAS-project. Dit ambitieuze initiatief streeft ernaar de genetische basis van soortvorming bloot te leggen, en wendt daarvoor de laatste DNA-technieken en bio-informatische methoden aan. De vier soorten cichliden komen van nature deels samen en deels apart voor in het meer. Waar ze samen voorkomen, zijn ze theoretisch in staat met elkaar te kruisen. Dat maakt deze groep vissen een interessant studieobject, gezien de mate van kruisingen en effecten daarvan kunnen vergeleken worden tussen de gebieden waar ze samen voorkomen en de gebieden waar ze geen contact met elkaar hebben.

Mannelijk exemplaar van Ophthalmotilapia nasuta, één van de onderzochte soorten. (CC J. Sternborn)

DNA verraadt natuurlijke kruisingen

Na eerdere resultaten op basis van experimenten in het laboratorium zijn nu ook de voorlopige resultaten binnen omtrent deze dieren in hun natuurlijke omgeving. Het DNA van 384 individuele vissen werd ingelezen met de recent ontwikkelde genotype-by-sequencing techniek en daarna onderworpen aan een reeks geavanceerde bio-informatische analyses. Het resultaat was een veel gedetailleerder beeld van hun genetische samenstelling dan wat eerder al met oudere technieken verkregen was. Twee van de vier soorten bleken een heel stuk nauwer verwant dan eerder gedacht, terwijl een andere soort net minder samenhang vertoonde dan zijn uiterlijke kenmerken aangeven. Dit betekent dat de huidige afbakening van deze soorten in vraag gesteld dient te worden. Verder vonden de wetenschappers in Brussel overtuigend bewijs voor herhaalde en aanhoudende instanties van kruisingen tussen soorten die in hetzelfde gebied van het meer voorkomen. Hybride individuen, d.w.z. nakomelingen van kruisingen tussen ouders van verschillende soorten, bleken wel degelijk vruchtbaar. Daardoor zijn ze in staat om terug te paren met één van beide ouderlijke soorten. Over verschillende generaties heen heeft dit als gevolg dat er genetisch materiaal van de ene soort naar de andere wordt overgebracht. Dergelijke genetische sporen van de ene soort in de andere soort werden ook effectief opgepikt, en verder onderzoek zal moeten uitwijzen welk effect deze uitwisseling van DNA precies met zich meebrengt. Een belangrijke vraag die hierbij naar voor schuift, is hoe de verschillende soorten verhinderen dat ze volledig met elkaar vermengen, en of dat überhaupt wel het geval is.