Passaggio da riproduzione sessuale a partenogenetica in uno squalo zebra

In totale 14 loci specifici dello squalo zebra sono stati valutati. Nove di questi loci hanno dimostrato alleli unici che non erano condivisi tra la madre F1 e il padre putativo M1 squalo, e sono stati quindi informativo per la valutazione parentale della prole (Tabella 1). Per questi nove loci, la prole delle stagioni 2009 e 2013 (n = 1-3) è stata presunta essere di origine sessuale da F1 × M1 e ci si aspettava di dimostrare l’eredità bi-parentale. Questi individui erano eterozigoti in tutti e nove i loci che mostravano un allele materno e uno paterno, in conformità con l’ipotesi della riproduzione sessuale. La presunta prole partenogenetica di F1 (2015:n = 1-4, 2016:n = 1-3) era omozigote per uno degli alleli materni in ogni locus. La singola prole di F2 (2016:5) era omozigote per tutti gli alleli che erano presenti nel genotipo di F2. Poiché F2 è la figlia prodotta sessualmente di F1, gli alleli di otto dei nove loci corrispondevano anche al genotipo di F1. Tuttavia, un locus (Sfa221) distingueva la madre di questa prole come F2. La prole (2016:5) era omozigote per l’allele 242, che è stato registrato da F2 (242, 248) e M1 (238, 242) ma non da F1 (246, 248) (Tabella 1).

Gli altri cinque loci hanno tutti dimostrato un allele condiviso tra F1 e M1. Anche se non è possibile determinare l’origine parentale dell’allele condiviso quando è presente nel genotipo della prole, tutta la prole partenogenetica era omozigote in ognuno di questi loci, adattandosi alla firma genetica della partenogenesi negli elasmobranchi. La prole prodotta sessualmente era omozigote per gli alleli condivisi dai genitori o eterozigote, corrispondendo alla firma genetica dell’eredità bi-parentale (Tabella supplementare).

Questi risultati supportano inequivocabilmente l’ipotesi che gli embrioni prodotti due anni dopo la rimozione dello squalo maschio erano di origine partenogenetica e non dovuti alla conservazione dello sperma. Anche la prole di F2 ha sostenuto un’origine partenogenetica, dimostrando che F2 ha iniziato a riprodursi asessualmente nel suo secondo anno di maturità. L’elevata omozigosi visualizzata nei genotipi partenogenetici (da F1 e F2) potrebbe essere la firma genetica della fusione terminale automixis, che è il meccanismo dominante per la partenogenesi facoltativa proposto per gli animali vertebrati5,12,15. In questo meccanismo l’eterozigosi è limitata alle punte dei cromosomi12, quindi le firme genetiche dei loci microsatelliti selezionati a caso tendono a dimostrare un’elevata omozigosi. Meccanismi alternativi, tra cui la duplicazione gametica19 e lo sviluppo spontaneo di un individuo aploide da un uovo non fecondato20 portano a una completa omozigosi21 e non possono essere esclusi3. Tuttavia l’eterozigosi è stata osservata in un locus per uno squalo zebra partenogenetico nell’acquario di Dubai sostenendo il meccanismo dell’automiscelazione di fusione terminale in questa specie7. L’analisi della prima prole di F1 nata nel 2009 e 2013 dimostra chiaramente la riproduzione sessuale dove la prole possiede almeno un allele di M1 in ogni locus. Questo conferma che F1 è passato dalla riproduzione sessuale a quella partenogenetica in un periodo di due anni.

Van der Kooi e Schwanten14 hanno sostenuto che gli esempi di partenogenesi facoltativa nei vertebrati sono probabilmente errori riproduttivi e quindi sono indicativi di partenogenesi accidentale. Secondo questo modello, la riproduzione asessuata è rara e sporadica nelle specie e non è una strategia adattativa. I nostri risultati suggeriscono il contrario. In primo luogo abbiamo dimostrato una transizione relativamente rapida dalla riproduzione sessuale alla riproduzione partenogenetica in un singolo animale che sembra essere in risposta ad un cambiamento ambientale. La partenogenesi non è stata documentata da un singolo individuo isolato, ma piuttosto da due individui all’interno del sistema dell’acquario con storie sessuali diverse. Inoltre, la partenogenesi è stata documentata in questa specie da individui catturati in luoghi geograficamente distanti: l’Oceano Pacifico occidentale (questo studio) e il Mar Rosso7. Anche altre specie di elasmobranchi e serpenti hanno dimostrato la riproduzione partenogenetica in più individui e in anni successivi in cattività3,6,9,16,17,22. Inoltre, la vitalità di una prole partenogenetica di vertebrati è stata recentemente dimostrata in uno squalo bambù con una seconda generazione di prole prodotta anch’essa attraverso la partenogenesi23.

Una sfida per comprendere la natura adattativa della partenogenesi facoltativa negli elasmobranchi e in altri vertebrati è identificare le condizioni in cui essa si verifica. L’ereditabilità nella partenogenesi facoltativa è stata dimostrata per il pollame e Drosophila spp. (vedi revisione rif. 24). Tuttavia la riproduzione sessuale sembra essere la forma dominante di riproduzione per le specie che dimostrano la partenogenesi facoltativa8,15 e quindi, sembra che spunti interni o esterni possano portare all’inizio della partenogenesi in queste specie. Studi sul pollame hanno scoperto che le infezioni virali aumentano la prevalenza della partenogenesi in diverse specie, ma che non ci sono effetti significativi dovuti a tipi di alimentazione, livelli di luce, ormoni sessuali o vicinanza ai conspecifici. L’aumento della temperatura è stato trovato per iniziare l’inizio della partenogenesi nei bachi da seta e aumentare la sua prevalenza in Drosophila parthenogenata (vedi revisione rif. 24). In questo studio, F1 è stato mantenuto nello stesso acquario per tutto il tempo riducendo al minimo qualsiasi cambiamento del suo ambiente esterno. L’innesco principale per il passaggio dalla riproduzione sessuale a quella partenogenetica in F1 quindi, sembra essere la rimozione del compagno. Allo stesso modo, la rapida transizione tra le strategie riproduttive dalla razza aquila anche seguito la rimozione del compagno, sostenendo l’ipotesi che partenogenesi è un vantaggio riproduttivo in condizioni di isolamento da potenziali compagni12. Tuttavia questo spunto non sembra essere onnipresente tra i vertebrati con modelli contrastanti osservati nei serpenti. Una femmina di boa constrictor ha dimostrato un passaggio dalla riproduzione sessuale a quella asessuata, riproducendosi partenogeneticamente in presenza di conspecifici maschi e non durante i due anni intermittenti in cui è stata alloggiata in isolamento16,25. Anche se la maggior parte degli esempi di partenogenesi per i serpenti si sono verificati quando le femmine erano isolate dai compagni, la partenogenesi è stata anche documentata da due pitoni regali in cattività e un pitone sanguinario dopo la copulazione con conspecifici maschi3,17. Tuttavia la fertilità di questi serpenti maschi non è stata confermata. Fino ad oggi, esempi di partenogenesi in elasmobranchi in cattività sono stati riportati solo da femmine isolate dai maschi. Per comprendere meglio l’effetto dell’assenza o della presenza di maschi sull’inizio della partenogenesi, sono necessari ulteriori studi sulle firme genetiche della prole prodotta da individui maschi e femmine coalizzati.

Non è possibile escludere potenziali spunti tra la madre e la figlia dello squalo che innescano l’inizio della partenogenesi. Tuttavia la femmina di squalo zebra nell’acquario di Dubai non è stata alloggiata con un altro squalo zebra in nessun momento prima della maturazione e dell’inizio della riproduzione partenogenetica7, dando così più sostegno all’assenza di un compagno piuttosto che alla presenza di un’altra femmina come fattore determinante.

Le densità critiche sono state proposte come fattore determinante per l’inizio della riproduzione partenogenetica in una specie26. In questo scenario le popolazioni possono crescere a livelli critici attraverso la partenogenesi per aumentare le opportunità di successo dell’accoppiamento a valle. Tuttavia, dato che la maggior parte degli esempi di partenogenesi nei vertebrati provenienti da ambienti in cattività riguardano femmine tenute in isolamento o con pochi conspecifici, non è possibile determinare quale sarebbe la soglia, se mai esiste. I pochi esempi di partenogenesi da vertebrati selvatici hanno dimostrato rapporti sessuali complessivi vicini all’unità8,15, ma questo non tiene conto della potenziale segregazione spaziale durante i periodi critici di accoppiamento. Studi empirici in condizioni di cattività potrebbero essere intrapresi per accertare i livelli critici a densità più elevate.

La funzione evolutiva della partenogenesi facoltativa potrebbe diventare più chiara quando i meccanismi saranno compresi in una serie di taxa, ma al momento rimane discutibile. La maggior parte dei vertebrati partenogenetici obbligati derivano dall’ibridazione tra specie strettamente correlate, con conseguente eterozigosi individuale elevata rispetto ai genotipi parentali11,27,28. Questo è considerato adattivo per la colonizzazione di nuove aree dove l’alta diversità genetica può fornire gli strumenti genetici necessari per adattarsi alle nuove condizioni29. Anche se la maggior parte dei lignaggi partenogenetici obbligati sono di breve durata e quindi considerati di maggiore importanza ecologica che evolutiva11, essi possono avere vantaggi evolutivi adattativi a lungo termine quando il back-crossing con le specie sessuali permette ai generi di espandersi filogeneticamente e geograficamente27. Al contrario, la partenogenesi facoltativa comporta una diversità genetica molto ridotta e presumibilmente un minore vantaggio adattativo nell’affrontare nuove condizioni ambientali. L’accumulo di mutazioni deleterie (ratchet di Muller30) fa sì che i lignaggi abbiano vita breve, a meno che non ci sia la capacità di riproduzione sessuale. La competenza riproduttiva sessuale della prole partenogenetica non è stata ancora dimostrata nei vertebrati, sebbene sia stata registrata in altri organismi (ad esempio, Drosophila31).

Un interessante punto di differenza nella partenogenesi facoltativa tra gli elasmobranchi e altre specie di vertebrati è la conseguenza del meccanismo genetico per la determinazione sessuale. L’analisi citogenetica di un sottoinsieme di specie di elasmobranchi ha dimostrato l’eterogamia maschile XY e l’omogamia femminile XX simile ai mammiferi32. Questo contrasta con gli uccelli e molti rettili, che dimostrano eterogamia femminile ZW con omogamia maschile ZZ. L’eccezione è rappresentata dalle stirpi di serpenti basali che possono produrre prole femminile WW vitale25; tuttavia, si veda Booth & Schuett3 dove si suggerisce che i serpenti basali, compresi i pitoni e i boa, possano effettivamente possedere cromosomi sessuali XX/XY in contrasto con il sistema ZZ/ZW comunemente accettato. La partenogenesi facoltativa può essere particolarmente vantaggiosa per le specie che hanno omogamia maschile ZZ, in quanto porta alla produzione di maschi, che sono potenziali futuri compagni. Negli elasmobranchi, tuttavia, tutta la prole vitale osservata prodotta dalla partenogenesi facoltativa è femmina6,7,9.

La partenogenesi facoltativa che porta alla prole femmina può quindi avere il vantaggio adattativo di un meccanismo di “tenuta”, attraverso il mantenimento delle linee femminili fino a quando i potenziali compagni maschi diventano nuovamente disponibili dopo l’immigrazione. In particolare, gli elasmobranchi sono considerati avere antichi lignaggi con molte specie che si estendono milioni di anni indietro nei record fossili33. L’analisi genetica delle popolazioni di diverse specie di elasmobranchi ha rivelato firme di colli di bottiglia delle popolazioni associate a periodi di glaciazione34,35. La partenogenesi facoltativa potrebbe aver aiutato le popolazioni a sopravvivere in questi periodi di isolamento. Per affrontare queste idee è importante identificare più esempi di partenogenesi facoltativa in natura. Anche se i meccanismi esatti che innescano la partenogenesi facoltativa rimangono attualmente un mistero, la flessibilità riproduttiva che fornisce potenzialmente ai vertebrati può essere sottovalutata per la sopravvivenza e l’evoluzione delle specie. L’esame delle popolazioni isolate contemporanee e gli studi empirici con individui in cattività aiuteranno a indagare i meccanismi, le funzioni e la prevalenza della partenogenesi facoltativa nelle specie di vertebrati.