Rekonstrukcja i kalibracja drzewa filogenetycznego rodzaju Microtus z wykorzystaniem sekwencji genomów ze Środkowego Plejstocenu

Norniki to niewielkie lądowe gryzonie sklasyfikowane w rodzaju Microtus, które zamieszkują różnorodne siedliska. Zasadniczo jednak preferują tereny otwarte. W obrębie rodzaju Microtus wyróżnia się co najmniej 90 gatunków, zasiedlających znaczną część Półkuli Północnej, w tym na przykład powszechnie występującego w Europie nornika zwyczajnego (Microtus arvalis) uznawanego za szkodnika upraw. Historia rodzaju Microtus była intensywnie badana metodami paleontologicznymi i molekularnymi. Stwierdzono, że gatunki do niego zaliczane pojawiły się pomiędzy 1,2 a 0,8 miliona lat temu w wyniku gwałtownej radiacji i grupują się w 7 głównych liniach w randze podrodzajów. Niektóre zależności filogenetyczne w obrębie Mictrotus nie są jednak wyjaśnione, w szczególności kolejność rozdzielania się poszczególnych podrodzajów. Dodatkowo, dostępne szacunki czasów rozdzielenia się poszczególnych linii oparte są jedynie na mało precyzyjnej kalibracji drzew filogenetycznych szczątkami kopalnymi. W efekcie uniemożliwia to wiarygodną rekonstrukcję wczesnej historii rodzaju Microtus. Wyjaśnienie tych kwestii oraz określenie czasów rozdzielenia się głównych linii pozwoliłoby powiązać je na przykład ze zmianami klimatu i lepiej zrozumieć jakie czynniki wpływają na szybkie radiacje ewolucyjne czy na proces powstawania gatunków. Rozwiązaniem, które może pomóc wyjaśnić wspomniane niejasności jest analiza sekwencji genomów jądrowych różnych gatunków z rodzaju Microtus oraz bezpośrednia kalibracja zegara molekularnego sekwencjami DNA, uzyskanymi ze szczątków kopalnych.

W związku z tym jako główny cel projektu przyjmuje się rekonstrukcję filogenezy rodzaju Microtus w oparciu o sekwencje genomów jądrowych oraz określenie czasów rozejścia się głównych linii ewolucyjnych norników z wykorzystaniem sekwencji środkowoplejstoceńskich norników. Aby zrealizować ten cel planujemy odczytać sekwencje genomów wybranych współczesnych gatunków norników. Dodatkowo, pozyskane zostaną szczątki norników z dwóch wyjątkowo ważnych stanowisk paleontologicznych – Jaskini Denisowej zlokalizowanej na Ałtaju w Rosji oraz z jaskini Geißenklösterle w Południowo-Zachodnich Niemczech. W jaskini Denisowej odkryto szczątki tajemniczych krewnych człowieka – Denisowian, z kolei z Geißenklösterle pochodzi bogaty zespół narzędzi kamiennych i krzemiennych wykorzystywanych przez Neandertalczyków i Wczesnych Ludzi Współczesnych. Z uwagi na te odkrycia chronologia osadów z tych jaskiń jest bardzo dobrze zbadana i datowana i obejmuje okres ostatnich odpowiednio 250 i 90 tysięcy lat. Dodatkowe materiały zostaną pozyskane również z innych stanowisk takich jak Obłazowa 2 w Polsce datowanego na 30 do 40 tysięcy lat czy jaskini Emine Bair Khosar na Krymie. W przypadku tych prób możliwe jest jednocześnie sekwencjonowanie genomów jak i bezpośrednie datowanie ich metodą radiowęglową. Wykorzystując najwyższej klasy protokoły ekstrakcji DNA i sekwencjonowania wysokoprzepustowego, zespół Kierownika Projektu planuje odczytać sekwencje dużych fragmentów genomów jądrowych co najmniej 15 osobników różnych gatunków pochodzących z wyżej wymienionych jaskiń. Rekonstruowanie genomów jądrowych okazów paleontologicznych jest niezwykle trudne, DNA w takich szczątkach zachowuje się w bardzo niewielkich ilościach, jest silnie pofragmentowany i zmodyfikowany chemicznie. Jest też silnie zanieczyszczony DNA pochodzącym z mikroorganizmów glebowych. Jednak wcześniejsze badania Kierownika Projektu wskazują, że w zębach norników DNA zachowuje się szczególnie dobrze a w materiale znajduje się jego wystarczająca ilość, aby zrekonstruować sekwencje genomów nawet z bardzo starych prób. Uzyskany zestaw danych pozwoli na kompleksową rekonstrukcję historii rodzaju Microtus, w tym ustalenie relacji pomiędzy głównymi liniami filogenetycznymi. Sekwencje genomów osobników kopalnych pozwolą na kalibrację zegara molekularnego i oszacowanie czasu rozejścia się poszczególnych linii. Analiza sekwencji genomów pozwoli też stwierdzić czy w przeszłości dochodziło do krzyżowania się poszczególnych gatunków, a jeśli tak to jaki to miało wpływ na ich genomy. Pozwoli też zidentyfikować geny i obszary genomów, które podlegały selekcji w czasie ewolucji gatunków, które współcześnie zajmują różne siedliska. Dotychczasowe badania genomów kopalnych osobników takich grup jak koniowate, niedźwiedzie czy mamuty, w sposób istotny zmieniły nasze rozumienie historii ewolucyjnej tych gatunków. Wierzymy, że prezentowany projekt ma podobny potencjał.