Dopo lo tsunami in Giappone del 2011 due specie di pesci si sono ibridate: cosa è accaduto al loro DNA

L’11 marzo 2011 un terremoto di magnitudo 9.0-9.1 provocò uno tsunami nella regione giapponese del Tōhoku. A causa di ciò, nella località di Ōtsuchi, l’inondazione e l’abbassamento del terreno formarono nuovi stagni alimentati da sorgenti. Nel 2012 i ricercatori vi trovarono degli spinarelli ibridi: pesci con materiale genetico sia di Gasterosteus aculeatus, che in quest’area vive in acque dolci, sia di Gasterosteus nipponicus, specie marina che può migrare tra mare e acque interne.

Praticamente, lo tsunami ha creato un ambiente in cui due specie di pesci diverse si sono incontrate, creandone uno nuovo, come riportato nello studio pubblicato su Nature ecology & evolution. Seguendo la popolazione di questi spinarelli per nove anni, i ricercatori hanno osservato che le varianti genetiche della specie marina diminuivano in gran parte del genoma, cioè del patrimonio genetico. La sopravvivenza negli stagni e la tendenza a spostarsi verso il mare possono contribuire a spiegare il fenomeno, ma le simulazioni suggeriscono anche incompatibilità genetiche ancora da identificare.

Nove anni di campioni per seguire gli incroci dopo lo tsunami in Giappone

Dal 2012 al 2020 un gruppo di ricercatori ha raccolto 2698 spinarelli negli stagni creatisi dopo lo tsunami. Analizzando il loro DNA, i ricercatori hanno stimato il contributo genetico delle due specie. Hanno poi identificato 667 punti diagnostici, cioè tratti del DNA in cui le specie esaminate avevano forme genetiche diverse, chiamate alleli.

Nel 2012, il 38% degli individui campionati risultava ibrido. Tra loro comparivano anche discendenti di altri incroci, inclusi quelli tra un ibrido e Gasterosteus aculeatus, che probabilmente discendevano dai primi ibridi formatisi nel 2011. Nel 2020, invece, la popolazione era geneticamente quasi tutta Gasterosteus aculeatus. Alla decima generazione, in 629 dei 667 punti diagnostici la frequenza degli alleli di Gasterosteus nipponicus era ormai pari a zero nei pesci analizzati. Alcune regioni, però, conservarono comunque varianti della specie marina di Gasterosteus nipponicus.

Secondo gli autori, le onde hanno portato i pesci marini dall’oceano, mentre il ritiro dell'acqua ha trasportato quelli d’acqua dolce dai tratti a monte. Questa è una ricostruzione, non un movimento osservato direttamente. Le due specie si sono separate circa 680 mila anni fa e hanno forti barriere riproduttive, anche se non un isolamento assoluto. Nei campioni precedenti allo tsunami, a Ōtsuchi non sono stati individuati ibridi, anche se non si escludono scambi genetici limitati in passato. L'ibridazione viene quindi attribuita, con cautela, ai cambiamenti provocati dallo tsunami.

Il caso, da solo, non spiega la diminuzione

Una variante, però, può diventare più rara per puro caso, perché non tutti i pesci hanno lo stesso numero di discendenti. Questo fenomeno è detto deriva genetica, e per capire se bastasse questo a spiegare la scomparsa delle varianti marine negli spinarelli ibridi, i ricercatori hanno stimato il numero di pesci, 22.485 individui, poi hanno simulato al computer come sarebbero cambiate le varianti in dieci generazioni se nessuna fosse stata favorita o sfavorita. Per ciascuno dei 667 punti diagnostici, il gruppo ha simulato 10.000 volte il passaggio dalla seconda alla decima generazione. Sono stati ipotizzati vari scenari, con popolazioni di dimensioni diverse, e la diminuzione osservata degli alleli marini è stata nella grande maggioranza dei casi più rapida di quella attesa. La deriva genetica, quindi, da sola non spiega il quadro generale per la variazione degli alleli.

Negli stagni d’acqua dolce sopravvivevano soprattutto i pesci residenti

Una prima ipotesi potrebbe riguardare il tasso di sopravvivenza delle due specie nel nuovo habitat. Per misurare una possibile differenza, il gruppo di scienziati ha collocato pesci delle due specie in una struttura delimitata all’interno di uno stagno nato dopo lo tsunami. In una prova con 60 individui per specie, alla fine ne sono stati recuperati vivi 53 di Gasterosteus aculeatus e soltanto 2 di Gasterosteus nipponicus. In un’altra prova, condotta con 120 retroincroci, cioè pesci ottenuti incrociando un ibrido di prima generazione con uno spinarello di acqua dolce, i sopravvissuti dopo circa sei mesi sono stati 33.

Confrontando il DNA dei retroincroci immessi nello stagno con quello dei sopravvissuti, i ricercatori hanno individuato alcune regioni del genoma in cui gli alleli di Gasterosteus nipponicus erano associati a una minore sopravvivenza. In altre parti, invece, gli alleli marini erano diventati più frequenti tra i sopravvissuti, suggerendo che possano dar loro un vantaggio.

La tendenza a migrare può allontanare alcune specie

Una seconda ipotesi riguarda invece il fatto che la specie marina può spostarsi verso il mare, mentre Gasterosteus aculeatus, in questa zona, rimane in acqua dolce. Gli stagni sono collegati, attraverso piccoli passaggi sotterranei, con un tratto d’acqua salmastra: una via d'uscita verso il mare. Gli autori dello studio non hanno osservato pesci adulti muoversi dal mare negli stagni, per cui la sola uscita potrebbe aver ridotto gli alleli marini nella popolazione locale. Per indagare questo comportamento hanno installato in un corso d’acqua un sistema di otto camere comunicanti, con una trappola a valle. Dopo circa due mesi, tra 100 pesci per ciascuna specie, la trappola aveva catturato una quota maggiore di Gasterosteus nipponicus. In un'altra prova con 200 retroincroci, la tendenza a raggiungere la trappola era intermedia tra quelle delle due specie.
Confrontando le varianti dei retroincroci che si erano spostati a valle con quelle rimaste, i ricercatori hanno individuato due regioni del genoma associate a questa migrazione. Una di queste regioni corrisponde in parte a una di quelle legate alla sopravvivenza in acqua dolce.

Alcune barriere agiscono presto, altre cause restano da verificare: i risultati dello studio

Confrontando anno per anno le varianti genetiche, i ricercatori hanno notato che quelle nelle regioni associate alle barriere tra le due specie diminuivano più velocemente delle varianti nelle altre regioni. Le barriere comprendono la diversa sopravvivenza, la scelta dell’habitat e, secondo uno studio precedente, la difficoltà degli ibridi maschi a riprodursi e l’isolamento sessuale, cioè l’ostacolo agli accoppiamenti tra le specie. Molte varianti marine nelle regioni legate a queste barriere erano già sparite nei campioni delle prime generazioni, solo in seguito la diminuzione si è estesa alla maggior parte degli altri punti esaminati.

Le simulazioni mostrano che né la sola deriva né poche regioni con un effetto forte riproducono insieme gli incroci iniziali e la successiva perdita di alleli marini. Quando invece la simulazione ha utilizzato un modello con molte incompatibilità distribuite nel genoma, cioè combinazioni di varianti delle due specie che penalizzano gli ibridi nelle generazioni successive, ha prodotto un andamento compatibile con i dati. Ciò non dimostra però che quelle specifiche incompatibilità siano presenti nei pesci di Ōtsuchi.
Il gruppo ha trovato tracce di incroci recenti anche in altri due habitat colpiti dallo tsunami, a Kuji e Iwaizumi. Anche lì alcune regioni genetiche della specie marina erano meno rappresentate, ma rispetto a Ōtsuchi una era rimasta un parte maggiore del suo patrimonio genetico. Gli autori vorrebbero analizzare l’intero genoma per verificare i modelli osservati e capire quali meccanismi abbiano fatto diminuire così rapidamente le varianti marine, ma il risultato misurato è già netto: l’incontro tra due specie dopo un grande cambiamento ambientale non ha portato, in questi habitat, alla fusione stabile delle loro popolazioni.

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