A gímszarvas mitokondriális filogenetikája

Az utóbbi évtizedekben nagy érdeklődés kísérte a szarvasfélék családjának molekuláris genetikai kutatását. A különböző fajok, populációk és állatfajták genetikai variációinak meghatározására gyakran használt eszköz a mitokondriális DNS (mtDNS) vizsgálata, ami használható taxonok közötti filogenetikai kapcsolat becslésére és molekuláris filogenetikai evolúciós elemzésekhez (Feulner et al. 2003, Pitra et al. 2004, Skog et al. 2009, Wada et al. 2010). A mitokondrium kettős szálú cirkuláris DNS-t tartalmaz, melynek mérete emlősökben körülbelül 16 000 bp (16 kbp), a sejtmagi DNS-től függetlenül replikálódik, és tízszer magasabb a mutációs rátája, így a mutációk felhalmozódhatnak. A mtDNS-t a kódoló szakaszokon felül, egy nem kódoló régió, a kontroll régió, vagy más néven D-loop („Displacement-loop”) alkotja, amely kiemelt fontossággal bír, mivel szekvenciája és hossza változatos a különböző fajok és egyedek között, a benne bekövetkező mutációk pedig

9

gyorsan rögzülnek; ezen tulajdonságai miatt használható populációgenetikai vizsgálatokhoz (Fernández-Silva et al. 2003, Feulner et al. 2003, Borowski et al. 2016). Fajok közötti filogenetikai kapcsolatok vizsgálatához kezdetben egyes mitokondriális gének szekvencia variációit használták (Abernethy 1994, Polziehn & Strobeck 1998, Ludt et al. 2004, Pitra et al. 2004), majd a sejtmagi genomban található (nukleáris) gének szekvencia különbségeit is vizsgálni kezdték (Hassanin & Douzery 2003, Gilbert et al. 2006). Az egyes genetikai elemek filogenetikai információtartalma eltérő lehet, így a különböző gének akár eltérő leszármazásokat is mutathatnak (Hassanin & Douzery 2003, Gilbert et al. 2006). A rokonsági viszonyok biztosabb feltárására emiatt inkább több különböző gén együttes vizsgálatával rekonstruálják a filogenetikai leszármazásokat (Hassanin & Douzery 2003, Gilbert et al. 2006). A technológia fejlődése az utóbbi évtizedben lehetővé tette a mitokondriális DNS szekvenciájának meghatározását a mitokondriális genom teljes hosszában (Wada et al. 2010), a szekvenálási technológiák fejlődésével pedig egyre több mitokondriális szekvencia válik nyilvánosan elérhetővé. A teljes mitogenomok felhasználása molekuláris filogenetikai vizsgálatokhoz egyszerűbbé vált, ami a mitokondriális filogenetikai vizsgálatok számának növekedéséhez és a törzsfejlődési viszonyok megbízhatóbb feltárásához vezetett (Wada et al.

2010, Zhang & Zhang 2012, Kumar et al. 2017).

A Szarvasfélék családja (Cervidae) jelenlegi taxonómiai álláspont szerint három alcsaládra, Óvilági szarvasformák (Cervinae), Újvilági szarvasformák (Capreolinae) és Víziőzformák (Hydropotinae), tagolódik; 16 nemzetséget és 50-nél több fajt foglal magába (Vrba & Schaller 2000, Pitra et al. 2004). A család kialakulását molekuláris módszerekkel 17,2-27,8 millió évvel ezelőttre datálják (Hassanin & Douzery 2003, Ludt et al. 2004, Pitra et al. 2004, Zhang

& Zhang 2012), ami megfelel a korai Miocénből származó leletek korának (Gentry 1994, Vrba & Schaller 2000, Gilbert et al. 2006). A molekuláris

10

vizsgálatok megerősítették a család monofiletikus eredetét is (Hassanin &

Douzery 2003, Li et al. 2003, Ludt et al. 2004, Gilbert et al. 2006).

Az Óvilági szarvasformák legnépesebb nemzetsége a Cervus genus, ide tartoznak a szarvasfélék leghíresebb és leginkább reprezentatív tagjai. A nemzetség a Szarvasfélék Cervini ágához tartozik, amelynek kialakulását 4,2-6,8 millió évvel ezelőttre teszik, a Cervus nemzetségét pedig 2,04-4,7 millió évvel ezelőttre (Randi et al. 2001, Li et al. 2003, Ludt et al. 2004, Pitra et al.

2004, Gilbert et al. 2006, Zhang & Zhang 2012), amely időpontok átfednek a fosszilis rekorddal (Vrba & Schaller 2000, Di Stefano & Petronio 2002).

A Cervus elaphus faj taxonómiája régóta viták tárgyát képezi, morfológiai alapon 22 alfaját különböztették meg (Groves & Grubb 1987, Mahmut et al.

2002, Kuznetsova et al. 2012, Kumar et al. 2017). Molekuláris filogenetikai vizsgálatok több alfaj státuszát módosították, és jelentősen átalakították a faj törzsfejlődéséről alkotott képünket. Mitokondriális szekvencia elemzések alapján feltételezhető, hogy a gímszarvas a szikaszarvassal (Cervus nippon) és meglepő módon a Thorold szarvassal is (Przewalskium albirostris) egy nagy fajkomplexet alkot (1. ábra). Ez a fajkomplex két kládra osztható, a nyugati kládba tartoznak az európai, észak-afrikai és tarimi csoportba tartozó gímszarvasok, míg a kelet-ázsiai és amerikai vapitik, a szikaszarvas alfajai és a Thorold szarvas alkotja a keleti kládot (Abernethy 1994, Polziehn &

Strobeck 1998, Mahmut et al. 2002, Li et al. 2003, Ludt et al. 2004, Pitra et al.

2004, Kuznetsova et al. 2012, Kumar et al. 2017). A két kládot ma már inkább két különálló fajnak tekintik; az európai gímszarvast a C. elaphus fajhoz, míg vapitiket a C. canadensis fajhoz sorolva (Randi et al. 2001, Polziehn &

Strobeck 2002, Ludt et al. 2004, Pitra et al. 2004). A szikaszarvas helyzete bizonytalan ebben a rendszertani felosztásban, leginkább a vapitik legközelebbi testvérfajának tekintik.

11

1. ábra. Gímszarvasok filogenetikai fája mitokondriális citokróm b gén szekvenciák alapján (Forrás: Olivieri et al. 2014).

A morfológiai különbségek ellenére a fajkomplex tagjai egymással hibridizálnak és mindkét nemből szaporodóképes utódot produkálnak (Abernethy 1994, Goodman et al. 1999), így a C. canadensis / nippon vonal a génáramlás szempontjából egy fajnak tekinthető, vagy a fajszétválás nagyon korai stádiumát reprezentálhatja (Polziehn & Strobeck 2002, Li et al. 2003, Ludt et al. 2004). Az Európában és a Közel-Keleten élő gímszarvasok

12

morfológiai alapú felosztása alfajokra sem konzisztens a mitokondriális vizsgálatok eredményével. Mitokondriális szekvenciák alapján nem indokolt az európai gímszarvas alfajok elkülönítése, szemben az észak-afrikai C. e.

barbarus, valamint a Tarimi csoportba tartozó C. e. maral, C. e. bactrianus és C. e. yarkandensis alfajokkal (Ludt et al. 2004, Pitra et al. 2004).

Európában a középső Pleisztocénben, nagyjából 500 000 – 770 000 évvel ezelőtt jelentek meg az első gímszarvasok (Lister 1990, Di Stefano & Petronio 2002), amely időpont közel van a fajkomplex nyugati- és keleti klád szétválás becsült időpontjához (Mahmut et al. 2002). A Pleisztocén korszakban történt éghajlat ingadozások, az erős lehűlések (glaciális) és a közöttük lévő enyhébb időszakok (interglaciális), jelentősen befolyásolták az élővilág elterjedését.

Európa esetében a mérsékelt övi fajok a lehűlések alatt dél-európai és közel-keleti refúgium területekre szorultak vissza, majd az interglaciális időszakokban tudtak észak felé terjedni (Taberlet et al. 1998, Hewitt 1999, Sommer et al. 2008, Sommer & Zachos 2009, Karaiskou et al. 2014). Ezek a ciklusos változások a fajokban ma is megfigyelhető intraspecifikus genetikai különbségek felhalmozódását okozták, amely genetikai különbségek visszavezethetők az egyes refúgiumokra amelyekből az adott vonalak származnak (Hewitt 2004, Meiri et al. 2013), így alkalmazhatóak az egyes fajok posztglaciális terjedésének feltérképezéséhez. Mitokondriális vizsgálatok alapján Európában ma három gímszarvas leszármazási vonal van jelen; a nyugat-európai (A), a kelet-európai (C) és a mediterrán (B) haplocsoportoknak elkülönült jégkorszaki menedékhelyei lehettek az Ibériai-, a Balkán-, valamint az Appennini-félszigeten (Ludt et al. 2004, Skog et al.

2009, Niedziałkowska et al. 2011, Meiri et al. 2013, Karaiskou et al. 2014, Krojerová-Prokešová et al. 2015). Az utolsó glaciális után ezekből a refúgium területekről észak felé terjedve népesítették be a szarvasok Európát. Így a nyugat-európai A haplocsoport az Ibériai-félszigettől Franciaországon keresztül északra a Brit-szigetekig és Skandináviáig, kelet felé pedig

13

Csehországig, Lengyelországig, Fehéroroszországig jutott (Ludt et al. 2004, Skog et al. 2009, Meiri et al. 2013, Krojerová-Prokešová et al. 2015, Borowski et al. 2016). A B haplocsoport leginkább Észak-Afrikai elterjedésű volt, Európában csak Szardínia és Korzika szigetén maradt fenn (Zachos et al. 2003, Skog et al. 2009, Niedziałkowska et al. 2011); a kelet-európai C haplocsoport pedig a Balkán-félszigettől észak felé benépesíti egész Kelet-Európát (Ludt et al. 2004, Skog et al. 2009, Niedziałkowska et al. 2011, Karaiskou et al. 2014, Krojerová-Prokešová et al. 2015).

Közép-Európa különösen fontos biogeográfiai régió a rekolonizáció szempontjából, ugyanis sok állat- és növényfaj eljegesedések utáni terjedési útvonala ezen a földrajzi területen találkozik egymással (Hewitt 2004, Sommer et al. 2008, Sommer & Zachos 2009). Gímszarvas esetében is a nyugat-európai A és a kelet-európai C haplocsoport elterjedési területe itt ér össze (Skog et al.

2009, Niedziałkowska et al. 2011, Krojerová-Prokešová et al. 2015, Markov et al. 2015), és alkot egy érintkezési vagy keveredési zónát, ami az Alpoktól északkelet felé haladva a Balti-tengerig terjedhet (Niedziałkowska et al. 2011, Fickel et al. 2012, Krojerová-Prokešová et al. 2015, Borowski et al. 2016). Az eddigi vizsgálatokba azonban csak kis számú gímszarvast vontak be a Kárpát-medencéből, így kevés adat áll rendelkezésünkre a faj genetikai struktúrájáról erről a fontos földrajzi területről.