Switch from sexual to parthenogenetic reproduction in a zebra shark
In totaal werden 14 zebra haai specifieke loci gescoord. Negen van deze loci vertoonden unieke allelen die niet werden gedeeld door de moeder F1 en de vermeende vader M1 haai, en waren daarom informatief voor de ouderlijke beoordeling van de nakomelingen (tabel 1). Voor deze negen loci werden de nakomelingen van de seizoenen 2009 en 2013 (n = 1-3) verondersteld van seksuele oorsprong te zijn van F1 × M1 en werd verwacht dat ze bi-ouderlijke overerving vertoonden. Deze individuen waren heterozygoot op alle negen loci en vertoonden één maternaal en één paternaal allel, in overeenstemming met de hypothese van seksuele voortplanting. De vermoedelijk parthenogenetische nakomelingen van F1 (2015:n = 1-4, 2016:n = 1-3) waren homozygoot voor één van de maternale allelen op elk locus. De enige nakomeling van F2 (2016:5) was homozygoot op alle allelen die aanwezig waren in het genotype van F2. Aangezien F2 de geslachtelijk voortgebrachte dochter van F1 is, kwamen de allelen van acht van de negen loci ook overeen met het genotype van F1. Echter, één locus (Sfa221) onderscheidde de moeder van deze nakomeling als F2. De nakomeling (2016:5) was homozygoot voor allel 242, dat wel bij F2 (242, 248) en M1 (238, 242) maar niet bij F1 (246, 248) werd gevonden (tabel 1).
De overige vijf loci toonden alle één gedeeld allel aan tussen F1 en M1. Hoewel het niet mogelijk is om de ouderlijke oorsprong van het gedeelde allel te bepalen, waren alle parthenogenetische nakomelingen homozygoot op elk van deze loci, wat past bij de genetische signatuur van parthenogenese bij elasmobranchii. De seksueel geproduceerde nakomelingen waren ofwel homozygoot voor de ouderlijke gedeelde allelen ofwel heterozygoot, passend bij de genetische signatuur van bi-ouderlijke overerving (aanvullende tabel).
Deze resultaten ondersteunen ondubbelzinnig de hypothese dat de embryo’s die twee jaar na de verwijdering van de mannetjeshaai werden geproduceerd van parthenogenetische oorsprong waren en niet het gevolg van spermaopslag. De nakomelingen van F2 ondersteunden ook een parthenogenetische oorsprong, wat aantoont dat F2 zich aseksueel begon voort te planten in haar tweede jaar van volwassenheid. De verhoogde homozygositeit die in parthenogenetische genotypen (van F1 en F2) wordt vertoond, zou de genetische signatuur kunnen zijn van terminale fusie-automixis, het dominante mechanisme voor facultatieve parthenogenese dat voor gewervelde dieren wordt voorgesteld5,12,15. Bij dit mechanisme is heterozygositeit beperkt tot de uiteinden van de chromosomen12 , zodat genetische signaturen van willekeurig gescreende microsatelliet loci de neiging hebben om verhoogde homozygositeit aan te tonen. Alternatieve mechanismen, waaronder gametische duplicatie19 en spontane ontwikkeling van een haploïd individu uit een onbevruchte eicel20 resulteren in volledige homozygositeit21 en kunnen niet worden uitgesloten3. Bij een parthenogenetische zebrahaai in het aquarium van Dubai werd echter heterozygositeit op één locus waargenomen, hetgeen het mechanisme van terminale fusie-automixis bij deze soort ondersteunt7. De analyse van de eerdere nakomelingen van F1, geboren in 2009 en 2013, toont duidelijk seksuele voortplanting aan, waarbij de nakomelingen op elke locus ten minste één allel van M1 bezitten. Dit bevestigt dat F1 binnen een periode van twee jaar is overgeschakeld van seksuele naar parthenogenetische voortplanting.
Van der Kooi en Schwanten14 betoogden dat voorbeelden van facultatieve parthenogenese bij gewervelde dieren waarschijnlijk voortplantingsfouten zijn en dus wijzen op toevallige parthenogenese. Volgens dat model is aseksuele voortplanting zeldzaam en sporadisch bij alle soorten en geen adaptieve strategie. Onze bevindingen suggereren iets anders. In de eerste plaats hebben we een relatief snelle overgang aangetoond van seksuele naar parthenogenetische voortplanting bij een individueel dier, die een reactie lijkt te zijn op een verandering in het milieu. Parthenogenese werd niet gedocumenteerd bij één enkel, geïsoleerd individu, maar eerder bij twee individuen binnen het aquariumsysteem met verschillende seksuele voorgeschiedenis. Bovendien is parthenogenese bij deze soort gedocumenteerd bij individuen die gevangen zijn op geografisch verre locaties: de westelijke Stille Oceaan (deze studie) en de Rode Zee7. Ook bij andere elasmobranch- en slangensoorten is parthenogenetische voortplanting aangetoond bij meerdere individuen alsook in opeenvolgende jaren in gevangenschap3,6,9,16,17,22. Bovendien is de levensvatbaarheid van parthenogenetische nakomelingen bij gewervelde dieren onlangs aangetoond bij een bamboehaai, waarbij een tweede generatie nakomelingen ook door middel van parthenogenese werd geproduceerd23.
Een uitdaging voor het begrijpen van de adaptieve aard van facultatieve parthenogenese bij elasmobranchii en andere gewervelde dieren is het identificeren van de omstandigheden waaronder dit gebeurt. Erfelijkheid in facultatieve parthenogenese werd aangetoond voor pluimvee en Drosophila spp. (zie bespreking ref. 24). Seksuele voortplanting lijkt echter de dominante vorm van voortplanting te zijn voor soorten die facultatieve parthenogenese vertonen8,15 en daarom lijkt het dat interne of externe signalen kunnen leiden tot het begin van parthenogenese bij deze soorten. Studies bij pluimvee toonden aan dat virale infecties de prevalentie van parthenogenese bij verschillende soorten deden toenemen, maar dat er geen significante effecten waren van voedertypes, lichtniveaus, geslachtshormonen of de nabijheid van soortgenoten. Er werd vastgesteld dat temperatuurverhoging het begin van parthenogenese in zijderupsen initieert en de prevalentie ervan in Drosophila parthenogenata doet toenemen (zie bespreking ref. 24). In deze studie werd F1 steeds in hetzelfde aquarium gehouden, zodat veranderingen in haar externe omgeving tot een minimum werden beperkt. De belangrijkste aanleiding voor de omschakeling van seksuele naar parthenogenetische voortplanting bij F1 lijkt daarom de verwijdering van de partner te zijn. Ook de snelle overgang van de ene voortplantingsstrategie naar de andere bij de adelaarsrog volgde op de verwijdering van de partner, wat de hypothese ondersteunt dat parthenogenese een voortplantingsvoordeel oplevert in omstandigheden van isolatie van potentiële partners12. Deze cue blijkt echter niet alomtegenwoordig te zijn bij gewervelde dieren, met contrasterende patronen die bij slangen worden waargenomen. Een vrouwelijke boa constrictor vertoonde een omschakeling van seksuele naar aseksuele voortplanting, waarbij zij zich parthenogeen voortplantte in aanwezigheid van mannelijke soortgenoten en niet gedurende de twee intermitterende jaren dat zij in afzondering was gehuisvest16,25. Hoewel de meeste voorbeelden van parthenogenese bij slangen zich hebben voorgedaan wanneer de vrouwtjes van soortgenoten werden geïsoleerd, werd parthenogenese ook gedocumenteerd bij twee regaalpythons in gevangenschap en één bloedpython na copulatie met mannelijke soortgenoten3,17. De vruchtbaarheid van deze mannelijke slangen is echter niet bevestigd. Tot op heden zijn voorbeelden van parthenogenese bij elasmobranchii in gevangenschap alleen gemeld bij vrouwtjes die van mannetjes geïsoleerd waren. Om het effect van de afwezigheid of aanwezigheid van mannetjes op het begin van parthenogenese beter te begrijpen, is verder onderzoek nodig naar de genetische kenmerken van nakomelingen van samenlevende mannetjes en vrouwtjes.
Het is niet mogelijk om uit te sluiten dat mogelijke signalen tussen de moeder- en dochterhaai het begin van parthenogenese in gang zetten. De vrouwelijke zebrahaai in het aquarium van Dubai was echter op geen enkel moment vóór de rijping en het begin van de parthenogenetische voortplanting samen met een andere zebrahaai gehuisvest7 , zodat eerder de afwezigheid van een partner dan de aanwezigheid van een ander wijfje als drijvende kracht kan worden beschouwd.
Een kritische dichtheid is voorgesteld als drijvende kracht voor het begin van parthenogenetische voortplanting binnen een soort26. Volgens dit scenario kunnen populaties door parthenogenese tot een kritisch niveau groeien om de kansen op paringssucces stroomafwaarts te vergroten. Aangezien de meeste voorbeelden van parthenogenese bij gewervelde dieren in gevangenschap betrekking hebben op wijfjes die in afzondering of met weinig soortgenoten worden gehouden, is het echter niet mogelijk te bepalen wat een drempel zou zijn, als die al zou bestaan. De weinige voorbeelden van parthenogenese bij in het wild levende gewervelde dieren vertoonden algemene geslachtsratio’s die de eenheid benaderden8,15, maar hierbij wordt geen rekening gehouden met mogelijke ruimtelijke segregatie tijdens kritieke paringsperioden. Empirische studies in gevangenschap zouden kunnen worden ondernomen om de kritische niveaus bij hogere dichtheden vast te stellen.
De evolutionaire functie van facultatieve parthenogenese kan duidelijker worden wanneer de mechanismen over een hele reeks taxa worden begrepen, maar op dit ogenblik blijft zij betwistbaar. De meeste obligate parthenogenetische gewervelde dieren ontstaan uit hybridisatie tussen nauw verwante soorten, wat resulteert in een verhoogde individuele heterozygositeit ten opzichte van de ouderlijke genotypes11,27,28. Dit wordt als adaptief beschouwd voor de kolonisatie van nieuwe gebieden, waar een grote genetische diversiteit de nodige genetische hulpmiddelen kan verschaffen om zich aan de nieuwe omstandigheden aan te passen29. Hoewel de meeste obligate parthenogenetische lijnen van korte duur zijn en daarom eerder als ecologisch dan als evolutionair belangrijk worden beschouwd11, kunnen zij op lange termijn evolutionaire aanpassingsvoordelen hebben wanneer terugkruising met seksuele soorten genera in staat stelt zich fylogenetisch en geografisch uit te breiden27. Facultatieve parthenogenese daarentegen leidt tot een sterk verminderde genetische diversiteit en vermoedelijk minder aanpassingsvoordeel bij het omgaan met nieuwe milieuomstandigheden. De accumulatie van schadelijke mutaties (Muller’s ratchet30) leidt ertoe dat lijnen een kort leven beschoren is, tenzij er een capaciteit voor sexuele voortplanting is. Seksuele voortplantingscompetentie van parthenogenetische nakomelingen is nog niet aangetoond bij gewervelde dieren, hoewel dit wel is waargenomen bij andere organismen (b.v. Drosophila31).
Een interessant punt van verschil in facultatieve parthenogenese tussen elasmobranchs en andere gewervelde soorten is het gevolg van het genetisch mechanisme voor seksuele determinatie. Cytogenetische analyse van een subset van elasmobranch-soorten toonde XY mannelijke heterogamie en XX vrouwelijke homogamie aan, vergelijkbaar met zoogdieren32. Dit staat in contrast met vogels en vele reptielen, die ZW vrouwelijke heterogametie en ZZ mannelijke homogametie vertonen. Een uitzondering vormen de basale slangenlijnen die levensvatbare vrouwelijke nakomelingen kunnen voortbrengen25; zie echter Booth & Schuett3 waar gesuggereerd wordt dat basale slangen, met inbegrip van de Pythons en Boa’s, in feite XX/XY geslachtschromosomen zouden kunnen bezitten, in tegenstelling tot het algemeen aanvaarde ZZ/ZW systeem. Facultatieve parthenogenese kan bijzonder voordelig zijn voor soorten met ZZ mannelijke homogamie, omdat het leidt tot de productie van mannetjes, die potentiële toekomstige partners zijn. Bij elasmobranchs zijn echter alle waargenomen levensvatbare nakomelingen, geproduceerd door facultatieve parthenogenese, vrouwelijk6,7,9.
Facultatieve parthenogenese die leidt tot vrouwelijke nakomelingen kan dan het adaptieve voordeel hebben van een ‘hold on’ mechanisme, door vrouwelijke lijnen in stand te houden totdat potentiële mannelijke partners weer beschikbaar komen na immigratie. Met name elasmobranchii worden geacht oude lijnen te hebben, waarbij vele soorten miljoenen jaren terug in het fossielenbestand voorkomen33. Populatie-genetische analyse van verscheidene elasmobranch-soorten heeft de tekenen van knelpunten in de populatie in verband met ijstijden aan het licht gebracht34,35. Facultatieve parthenogenese kan populaties geholpen hebben om door deze perioden van isolatie te overleven. Om deze ideeën te onderzoeken is het belangrijk om meer voorbeelden van facultatieve parthenogenese uit de natuur te identificeren. Hoewel de exacte mechanismen die aan de basis liggen van facultatieve parthenogenese momenteel nog een mysterie blijven, kan de reproductieve flexibiliteit die het mogelijk maakt voor gewervelde dieren onderschat worden voor de overleving en evolutie van soorten. Onderzoek van hedendaagse geïsoleerde populaties en empirische studies met individuen in gevangenschap zullen helpen om de mechanismen, functies en prevalentie van facultatieve parthenogenese bij gewervelde diersoorten te onderzoeken.