DOI: https://doi.org/10.1093/jhered/esag006
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41553266
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Jan W. Arntzen وآخرون
الموضوع الرئيسي: التvariations الكروموسومية والجينية
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم من ورقة البحث التفاعلات البيئية والوراثية بين نوعين من السلمندر الهجين، Triturus cristatus (C) وTriturus marmoratus (M)، اللذان يتواجدان في توزيع متنوع في غرب فرنسا. تركز الدراسة على تحديد الهجائن الثلاثية الصبغيات من الجيل الأول باستخدام بيانات تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP)، حيث قد توفر هذه الهجائن رؤى حول متلازمة الكروموسوم-1 التي تفرض عبئًا وراثيًا كبيرًا على هذه الأنواع. تشير النتائج إلى أن الهجائن بين الأنواع تشكل حوالي 3% من إجمالي عدد السكان المتكاثرين، مع تحديد الثلاثيات الصبغيات بتكرار 3.8% استنادًا إلى مجموعة من 30 SNP. ومن الجدير بالذكر أن عينة أكبر كشفت عن تكرار ثلاثي الصبغيات بنسبة 18%، خاصة بين الأنماط الظاهرة الهجينة الشاذة.
تسلط الأبحاث الضوء على أن الثلاثيات الصبغيات ذات التركيب الوراثي CMM أكثر انتشارًا من تلك ذات التركيب CCM. تم تأكيد حالة الثلاثيات الصبغيات لاثنتين من الإناث CMM من خلال التحليل المستهدف والتقاط الخلايا. أظهرت إحدى هذه الأفراد نمطًا هجينيًا يشبه T. marmoratus، بالإضافة إلى عمر استثنائي يزيد عن 17 عامًا وميول لتجاوز فرص التكاثر السنوية. يقترح المؤلفون أن الدراسات المستقبلية حول نظام T. cristatus-T. marmoratus يجب أن تأخذ في الاعتبار الفئات المختلفة من الهجائن بين الأنواع لفهم ديناميكياتها البيئية والوراثية بشكل أفضل.
مقدمة
ت outlines المقدمة عملية تكوين الأنواع، مع التركيز على تطوير عدم التوافق الوراثي والبيئي والسلوكي الذي يؤدي إلى العزلة التناسلية، كما وصفه كوين وأور (2004). تنشأ التباينات الوراثية من آليات العزل مثل التوزيع الجغرافي والتطور المتباين (ماير، 1963). عندما تتواصل برك الجينات المعزولة سابقًا، يمكن أن تتنوع التفاعلات الناتجة من الاندماج الكامل إلى العزلة الوراثية المستمرة (وو وتينغ، 2004؛ ستانكوفسكي ورافينيت، 2021). تركز الدراسة على ديناميات الهجين بين السمندل ذو القرون الشمالية (*Triturus cristatus*) والسمندل المرقط (*T. marmoratus*)، اللذان يظهران تمايزًا بيئيًا وسلوكيًا كبيرًا على الرغم من تداخل نطاقاتهما في غرب فرنسا. تشكل الهجائن حوالي 3% من السكان المتكاثرين، مع وجود تداخل محدود وعبر الجينات (أرنزن وواليس، 1991؛ أرنزن وآخرون، 2021).
تهدف الأبحاث إلى التحقيق في احتمال حدوث هجائن ثلاثية الصبغيات ضمن هذا النظام، وهو ظاهرة ذات صلة خاصة في البرمائيات، حيث تتواجد الأنواع متعددة الصبغيات مع أسلاف ثنائية الصبغيات. تستخدم الدراسة تقنية تحديد الجينات KASP لتحليل تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) واستنتاج التراكيب الوراثية الثلاثية الصبغيات. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الأبحاث التقاط الهدف وتحليل مورفومetrics كريات الدم الحمراء للتحقق من وجود هجائن ثلاثية الصبغيات. ستساهم النتائج في فهم العوامل الجزيئية والوراثية التي تمكّن السلالات الجديدة من الألوپوليد أن تزدهر وسط السكان ثنائي الصبغيات، مما يعالج فجوة كبيرة في الأدبيات بشأن الآثار التطورية للهجين وتغيرات الصبغيات في البرمائيات.
طرق
في هذه الدراسة، حقق الباحثون في الهجين بين *Triturus cristatus* و*Triturus marmoratus* في قسم مايين (Mayenne) في فرنسا، باستخدام مزيج من التحليلات الوراثية الجزيئية والتقييمات الظاهرة. كانت عملية تحديد الهجائن تعتمد بشكل أساسي على لونها البطني الوسيط، مدعومة بالتوثيق الفوتوغرافي من دراسات سابقة (أرنزن وآخرون 2021). تم جمع عينات الأنسجة للتحليل الوراثي على مدى عدة عقود، مع التركيز على الأنماط الظاهرة الشاذة التي يُشتبه في كونها هجائن نادرة من الجيل الثاني. لتقليل تكرار العينات، استخدم الباحثون علامات إلكترونية فردية (أجهزة إرسال متكاملة سلبية، أو علامات PIT) وأجروا أخذ العينات عبر أوقات ومواقع مختلفة.
شمل التحليل الوراثي ثلاث طرق لتحديد مستويات الصبغيات الفردية، حيث كانت تقنية KASP هي التقنية الرئيسية. استخدمت هذه الطريقة اختبارات قائمة على الفلورية لـ 30 علامة وراثية نووية SNP، مما يسمح بتحديد الأنماط الجينية ثنائية الصبغيات (الهوموزيجوتات والهيتيروزيجوتات). كما أخذت الدراسة في الاعتبار الأفراد الثلاثيين الصبغيات المحتملين، الذين قد يقدمون إشارات غامضة في بيانات KASP. تم تطبيق عتبة محددة تجريبيًا لقوة إشارة KASP، وتم استبعاد نقاط البيانات التي كانت تحت هذه العتبة من التحليل الإضافي. خضعت درجات KASP المتبقية لتحليل القياس المتعدد الأبعاد (mMDS) لتقييم العلاقات الوراثية بين الأفراد الذين تم أخذ عيناتهم، مع بناء مصفوفة تشابه من البيانات العادية. كانت هذه الطريقة الشاملة تهدف إلى توضيح الهيكل الوراثي وديناميات الهجين ضمن السكان المدروسة.
نتائج
تشير النتائج إلى توزيع ثلاثي النمط مميز للدرجات على المحور الأول من mMDS، مع قمم تتوافق مع الأنواع T. cristatus، والهجائن، وT. marmoratus، مما يكشف عن عدم وجود تناقضات بين النمط الظاهري والنمط الجيني. في الدفعة 1، أظهر نسبة كبيرة من الأفراد (10.8%) قوة إشارة KASP أقل من العتبة 3.4، بينما كانت هذه النسبة أقل بكثير في الدفعات المجمعة 2 و3 (1.2%). لوحظت علاقة سلبية قوية (r = -0.827، P < 0.0001) بين الدرجات على المحور الثاني من mMDS وقوة إشارة KASP في الدفعة 1. تم تصنيف معظم الهجائن الظاهرة على أنها ثنائية الصبغيات من الجيل الأول، على الرغم من أن 19 فردًا تناسب توزيع الهجائن الثلاثية الصبغيات والعبور بشكل أقرب. أظهرت تصنيفات الهجائن انحرافات كبيرة عن التكرارات المتوقعة، خاصة مع وجود المزيد من الثلاثيات الصبغيات والعبور المستنتج في الدفعة 1 مقارنة بالدفعات اللاحقة (18 من 100 مقابل 1 من 26، G = 7.676، P < 0.01). كشفت تحليلات مورفومetrics كريات الدم الحمراء عن اختلافات كبيرة في أحجام النواة وكريات الدم الحمراء بين سلسلتين، مع استبعاد الشاذ من التحليل. أظهر فرد هجيني ملحوظ، تم تصنيفه في البداية كعبور محتمل نحو T. marmoratus، سمات لون مختلطة وتم تتبعه على مدى عشر سنوات، مما أظهر نموًا مستمرًا وانحرافات في الحجم عن منحنيات النمو العامة لكلا النوعين. كانت حالة جسم هذا الفرد متوسطة مقارنة بـ T. cristatus وT. marmoratus، مما يشير إلى ديناميات هجين معقدة ضمن السكان المدروسة.
مناقشة
تستكشف قسم المناقشة في ورقة البحث آثار تعدد الصبغيات والهجين في سياق منطقة الهجين بين Triturus cristatus وTriturus marmoratus. تسلط الضوء على أن تكرار الجينوم الكامل يمكن أن يؤدي إلى تحولات كبيرة في التعبير الجيني، مما يؤثر على مجموعة متنوعة من الصفات البيولوجية مثل الفسيولوجيا والبيئة والشكل. يشير المؤلفون إلى أن الثلاثيات الصبغيات، المستنتجة من التحليلات الوراثية ومورفومetrics كريات الدم الحمراء، نادرة في هذا النظام الهجين، مع تقديرات تشير إلى أن حوالي 4% من الهجائن هي ثلاثيات الصبغيات. تشير النتائج إلى أن الثلاثيات الصبغيات قد تنشأ من اندماج الأمشاج ثنائية الصبغيات غير المخفضة، وقد يتم التقليل من وجودها بسبب سلوكها التناسلي غير المعتاد.
تناقش الورقة أيضًا الأهمية التطورية للثلاثيات الصبغيات في Triturus، مشيرة إلى أنه بينما قد تعمل الثلاثيات الصبغيات كحلقة محتملة في تشكيل الأنواع رباعية الصبغيات، فإنها تواجه على الأرجح تكاليف لياقة قوية بسبب تأثيرات جرعة الجين غير المتوازنة. يخلص المؤلفون إلى أن الثلاثيات الصبغيات قد لا يكون لها مستقبل تطوري قابل للحياة في هذا الجنس، كما يتضح من ندرة الهجائن الثلاثية الصبغيات مقارنة بالعبور. تسهم هذه الأبحاث في فهم ديناميات تعدد الصبغيات والهجين في البرمائيات، مما يبرز التفاعل المعقد بين العوامل الوراثية والنتائج التطورية في السكان الطبيعية.
DOI: https://doi.org/10.1093/jhered/esag006
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41553266
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Jan W. Arntzen et al.
Primary Topic: Chromosomal and Genetic Variations
Overview
This section of the research paper investigates the ecological and genetic interactions between two hybridizing salamander species, Triturus cristatus (C) and Triturus marmoratus (M), which coexist in a mosaic distribution in western France. The study focuses on identifying triploid F1 hybrids using single nucleotide polymorphism (SNP) data, as these hybrids may provide insights into the chromosome-1 syndrome that imposes a significant genetic load on these species. The findings indicate that interspecies hybrids constitute approximately 3% of the total breeding population, with triploids identified at a frequency of 3.8% based on a panel of 30 SNPs. Notably, a larger sample revealed a triploid frequency of 18%, particularly among aberrant hybrid phenotypes.
The research highlights that triploids with a CMM genetic configuration are more prevalent than those with a CCM configuration. The triploid status was confirmed for two CMM females through target capture and cellular morphometric analysis. One of these individuals exhibited a hybrid phenotype resembling T. marmoratus, along with an exceptional lifespan of over 17 years and a tendency to skip annual breeding opportunities. The authors suggest that future studies on the T. cristatus-T. marmoratus system should take into account the various classes of interspecies hybrids to further understand their ecological and genetic dynamics.
Introduction
The introduction outlines the speciation process, emphasizing the development of genetic, ecological, and behavioral incompatibilities that lead to reproductive isolation, as described by Coyne and Orr (2004). Genetic divergence arises from isolation mechanisms such as vicariance and divergent evolution (Mayr, 1963). When previously isolated gene pools come into contact, the resulting interactions can vary from complete merging to sustained genetic isolation (Wu and Ting, 2004; Stankowski and Ravinet, 2021). The study focuses on the hybridization dynamics between the northern crested newt (*Triturus cristatus*) and the marbled newt (*T. marmoratus*), which exhibit significant ecological and behavioral differentiation despite overlapping ranges in western France. Hybrids constitute about 3% of the breeding population, with limited backcrossing and introgression (Arntzen and Wallis, 1991; Arntzen et al., 2021).
The research aims to investigate the potential occurrence of triploid hybrids within this system, a phenomenon that is particularly relevant in amphibians, where polyploid species coexist with diploid ancestors. The study employs Kompetitive Allele-Specific PCR (KASP) genotyping to analyze single nucleotide polymorphisms (SNPs) and infer triploid genetic configurations. Additionally, the research utilizes target capture and erythrocyte morphometrics to validate the presence of triploid hybrids. The findings will contribute to understanding the molecular-genetic factors that enable newly formed allopolyploid lineages to thrive amidst diploid populations, addressing a significant gap in the literature regarding the evolutionary implications of hybridization and ploidy changes in amphibians.
Methods
In this study, the researchers investigated the hybridization between *Triturus cristatus* and *Triturus marmoratus* in the Mayenne department of France, utilizing a combination of molecular genetic analyses and phenotypic assessments. The identification of hybrids was primarily based on their intermediate ventral coloration, supported by photographic documentation from previous studies (Arntzen et al. 2021). Tissue samples for genetic analysis were collected over several decades, with a focus on aberrant phenotypes suspected to be rare F2-backcross hybrids. To minimize sample duplication, the researchers employed individual electronic tags (Passive Integrated Transponders, or PIT-tags) and conducted sampling across different times and locations.
The genetic analysis involved three methods to determine individual ploidy levels, with KASP genotyping being the primary technique. This method utilized fluorescence-based assays for 30 nuclear genetic SNP markers, allowing for the identification of diploid genotypes (homozygotes and heterozygotes). The study also accounted for potential triploid individuals, which may present ambiguous signals in the KASP data. An empirically determined threshold for KASP signal strength was applied, and data points below this threshold were excluded from further analysis. The remaining KASP scores underwent metric multi-dimensional scaling (mMDS) to assess genetic relationships among the sampled individuals, with a resemblance matrix constructed from normalized data. This comprehensive approach aimed to elucidate the genetic structure and hybridization dynamics within the studied populations.
Results
The results indicate a distinct trimodal distribution of scores along the first mMDS axis, with peaks corresponding to the species T. cristatus, hybrids, and T. marmoratus, revealing no discrepancies between phenotype and genotype. In batch 1, a significant proportion of individuals (10.8%) exhibited KASP signal strengths below the threshold of 3.4, while this was markedly lower in combined batches 2 and 3 (1.2%). A strong negative correlation (r = -0.827, P < 0.0001) was observed between scores on the second mMDS axis and KASP signal strength in batch 1. Most phenotypic hybrids were classified as diploid F1s, although 19 individuals fit the distribution for triploid hybrids and backcrosses more closely. The classification of hybrids showed significant deviations from expected frequencies, particularly with more triploids and backcrosses inferred in batch 1 compared to later batches (18 out of 100 versus 1 out of 26, G = 7.676, P < 0.01). Erythrocyte morphometric analyses revealed significant differences in nuclear and erythrocyte sizes between two series, with the outlier excluded from the analysis. One notable hybrid individual, initially classified as a possible backcross towards T. marmoratus, displayed mixed coloration traits and was tracked over ten years, showing continued growth and size deviations from generalized growth curves for both species. This individual’s body condition was intermediate compared to T. cristatus and T. marmoratus, suggesting complex hybridization dynamics within the studied populations.
Discussion
The discussion section of the research paper explores the implications of polyploidy and hybridization in the context of the Triturus cristatus-Triturus marmoratus hybrid zone. It highlights that whole-genome duplications can lead to significant shifts in gene expression, affecting various biological traits such as physiology, ecology, and morphology. The authors note that triploidy, inferred from genetic analyses and erythrocyte morphometrics, is infrequent in this hybrid system, with estimates suggesting about 4% of hybrids are triploids. The findings indicate that triploids may arise from the fusion of unreduced diploid gametes, and their presence could be underestimated due to their atypical breeding behavior.
The paper also discusses the evolutionary significance of triploidy in Triturus, suggesting that while triploids may serve as a potential link in the formation of tetraploid species, they likely face strong fitness costs due to unbalanced gene dosage effects. The authors conclude that triploidy may not have a viable evolutionary future in this genus, as evidenced by the rarity of triploid hybrids compared to backcrosses. This research contributes to the understanding of polyploidy and hybridization dynamics in amphibians, emphasizing the complex interplay between genetic factors and evolutionary outcomes in natural populations.