Fot. Psie zaprzęgi są nadal powszechnie używane do transportu w niektórych częściach Grenlandii
Streszczenie
Psy domowe od tysiącleci odgrywają kluczową rolę w życiu w północnoamerykańskiej Arktyce. Przodkowie Eskimosów jako pierwsi wprowadzili technologię transportu psich zaprzęgów do obu Ameryk, ale czy Inuici zaadoptowali lokalne psy paleo-inuickie, czy też wprowadzili nową populację psów do regionu, pozostaje nieznane. Aby przetestować te hipotezy, wygenerowaliśmy mitochondrialne DNA i geometryczne dane morfometryczne czaszki i elementów zębowych łącznie 922 północnoamerykańskich psów i wilków arktycznych, obejmujących ponad 4500 lat. Nasze analizy ujawniły, że psy z miejsc Eskimosów datowanych na 2000 lat temu posiadają morfologiczne i genetyczne sygnatury, które odróżniają je od wcześniejszych psów Paleo-Eskimosów, i zidentyfikowały nowy klad mitochondriów we wschodniej Syberii i na Alasce. Dziedzictwo genetyczne tych psów Eskimosów przetrwało do dziś we współczesnych arktycznych psach zaprzęgowych, pomimo różnic fenotypowych między psami archeologicznymi a współczesnymi psami arktycznymi. Łącznie nasze dane ujawniają, że psy Eskimosów wywodzą się z wtórnej migracji przedkontaktowej psów różniących się od psów paleo-Inuickich i prawdopodobnie pomogły w ekspansji Eskimosów w północnoamerykańskiej Arktyce, która rozpoczęła się około 1000 lat temu.
1. Wstęp
Psy ( Canis lupus familiaris ) odegrały kluczową rolę we wczesnej adaptacji człowieka do środowisk okołobiegunowych na dużych szerokościach geograficznych. Wczesne okazy psów od późnego plejstocenu do wczesnego holocenu w całej północno-wschodniej Azji [ 1 – 3 ] świadczą o tym wczesnym związku między ludźmi i psami w Arktyce. Ostatnie analizy genetyczne wskazują, że najwcześniejsze psy znalezione w obu Amerykach należały do wymarłej już linii psów arktycznych, które zostały sprowadzone z Eurazji co najmniej 10 000 lat temu [4 ] . Oprócz tego początkowego zaludnienia obu Ameryk, północnoamerykańska Arktyka doświadczyła dodatkowych epizodów migracji ludzi z genetycznie odrębnych populacji [ 5-10], którym towarzyszyły potencjalnie odrębne populacje psów. Znaczenie psów podczas tych migracji pozostaje jednak w dużej mierze nieznane [ 4 , 11 ]. Zbadanie, czy te nowe grupy przyniosły ze sobą genetycznie zróżnicowane populacje psów do północnoamerykańskiej Arktyki, oraz zbadanie związku między tymi psami a psami już obecnymi w regionie, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia historii psów w obu Amerykach.
Dowody archeologiczne sugerują, że psy były stosunkowo rzadkie w północnoamerykańskiej Arktyce przed okresem Eskimosów [ 12 , 13 ]. Pojawienie się Eskimosów na Alasce, które rozpoczęło się około 2000 lat temu, przyniosło zmiany na dużą skalę w sposobie życia, praktykach utrzymania i kulturze materialnej w północnoamerykańskiej Arktyce. Ich późniejsza ekspansja przeniosła tę kulturę z Alaski na wschód na Grenlandię i wzdłuż wybrzeży subarktycznej wschodniej Kanady począwszy od 1000 lat temu [ 14 , 15 ]. Gwałtowna ekspansja Eskimosów jest częściowo przypisywana wykorzystaniu przez nich zaawansowanych technologii transportowych, w tym rozwoju i powszechnego wykorzystania umiaka i kajaka do podróży morskich oraz psich zaprzęgów do użytku na lądzie i lodzie [16] .– 18 ]. Pomimo wszechobecnego związku psich zaprzęgów z północnoamerykańskimi ludami Arktyki i obecności technologii psich zaprzęgów na Syberii do 9000 lat temu [ 1 , 19 ], pozostaje niewiele mocnych dowodów na istnienie psich zaprzęgów w obu Amerykach przed 1000 lat temu [ 12 ]. Obecnie psy zaprzęgowe pozostają kulturowo i ekonomicznie kluczowe dla rdzennych mieszkańców Arktyki, ale liczba psów gwałtownie spada z powodu zmieniającego się klimatu, nawrotów parwowirozy i nosówki, preferencyjnego korzystania ze skuterów śnieżnych oraz uboju rdzennych psów zarówno w okresie historycznym, jak i historycznym. współczesność [ 20 , 21]. Ponadto związek między współczesnymi psami arktycznymi a psami archeologicznymi z okresu Eskimosów i poprzednich okresów Paleo-Eskimosów pozostaje niejasny.
Wcześniejsze badania sugerowały , że psy związane ze współczesnymi populacjami Arktyki są bezpośrednimi potomkami populacji sprowadzonych przez Eskimosów [ 22-24 ], potwierdzając nieodłączną rolę technologiczną psów dla współczesnych Eskimosów, którzy nadal okupują Północnoamerykańską Arktykę. Jednak nowsze introdukcje psów przypisuje się osadnictwu europejskiemu we wschodniej Arktyce, które rozpoczęło się w XVIII wieku, oraz osadnikom z Alaski w różnych okresach w XIX wieku, głównie w związku z górnictwem i osadnictwem [ 22 , 23] prawdopodobnie również przyczyniły się do składu genetycznego współczesnych populacji psów w całym regionie. Aby rozplątać wzorce czasoprzestrzenne w dawnych populacjach psów arktycznych w Ameryce Północnej i ich pokrewieństwo z niedawnymi psami arktycznymi, konieczne jest ustalenie morfologicznej i genetycznej odrębności tych grup.
W tym celu zbadaliśmy zmiany fenotypowe związane z pojawieniem się psów Eskimosów, stosując analizy morfometrii geometrycznej (GMM) [ 25 ] w celu zbadania zmienności morfometrycznej czaszki, pierwszego dolnego trzonowca i żuchwy. Następnie przeanalizowaliśmy kompletne i częściowe genomy mitochondrialne psów arktycznych przed kontaktem wraz z publicznie dostępnymi danymi dla psów przedkontaktowych z obu Ameryk [ 4 , 26 ], a także historycznych i współczesnych arktycznych psów zaprzęgowych [ 22 , 23]. Integracja tych zestawów danych pozwoliła nam zbadać historię psów przedkontaktowych w północnoamerykańskiej Arktyce, kontekstualizować pochodzenie psów Eskimosów w stosunku do wcześniejszych psów Paleo-Inuitów i wyjaśnić związek między tymi psami archeologicznymi a współczesnymi populacjami psów arktycznych.
2. Wyniki i dyskusja
(a) Pochodzenie i dziedzictwo psów arktycznych przed kontaktem
Aby lepiej zrozumieć różnorodność morfologii starożytnych psów arktycznych, zbadaliśmy zróżnicowanie fenotypowe między paleo-inuitami, inuitami i nowszymi psami grenlandzkimi (historyczna rasa arktyczna i współczesna rasa grenlandzka, patrz dodatkowy materiał elektroniczny, tekst), a także populacje wilka arktycznego. Aby to zrobić, użyliśmy GMM na czaszce, dolnych pierwszych zębach trzonowych i półżuchwach ( ryc. 1 i tabela 1 ; elektroniczny materiał uzupełniający, ryc. S14). Ogólnie rzecz biorąc, wilki były łatwe do odróżnienia od psów ( tabela 2 ). W szczególności wilki były mniej zróżnicowane morfologicznie pod względem mniejszego rozmiaru i kształtu M1 i posiadały konsekwentnie większe wymiary oraz węższe i niższe puszki mózgowe w porównaniu z naszymi próbkowanymi psami ( ryc. 1 ).
Ryc. 1. Zmienność morfometryczna arktycznych psów i wilków. ( a ) Zróżnicowanie wielkości plejstoceńskich i współczesnych wilków oraz paleo-inuickich, eskimoskich, historycznych i współczesnych ras grenlandzkich (historyczne i współczesne rasy grenlandzkie, patrz elektroniczny materiał uzupełniający, tekst) psy. Wykres pudełkowy rozmiaru centroidu przekształconego w logarytm z wielkością próbki pokazaną w nawiasach. „ns” podkreśla nieistotne porównanie parami (test Wilcoxona) między sąsiednimi grupami ( tabela 2 ). ( b ) Ogólne zróżnicowanie kształtu między grupami pokazanymi jako sąsiadujące sieci pochodzące z odległości Mahalanobisa dla każdego elementu osobno. ( ok) Wizualizacja różnic kształtu czaszki (góra), pierwszego dolnego trzonowca (środek) i żuchwy (dół) między: wilkami (czarny) a wszystkimi psami domowymi (czerwony); Psy paleo-inuickie (różowe) i psy eskimoskie (zielone); i psy grenlandzkie (pomarańczowe) i psy Eskimosów (zielone). Różnice kształtu są wizualizowane wzdłuż osi dyskryminacyjnej między grupami. Modele szkieletowe z liniami przerywanymi wskazują nieistotne różnice.
Tabela 1.
Liczba próbek wygenerowanych lub wykorzystanych w badaniu. (a) Wielkość próbki morfometrycznej: liczba próbek na grupę i na analizowany pierwiastek. (b) Wielkość próbki genetycznej: liczba próbek pomyślnie zsekwencjonowanych na grupę i na typ/liczbę prób sekwencjonowania.
Paleo-Inuici |
Eskimosów |
historyczny |
nowoczesny |
współczesny wilk |
Wilk plejstoceński |
całkowity |
||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
( za ) |
||||||||
GMM |
czaszka |
11 |
17 |
6 |
2 |
3 |
1 |
40 |
żuchwa |
86 |
48 |
5 |
14 |
70 |
24 |
247 |
|
dolna M1 |
85 |
57 |
6 |
14 |
58 |
64 |
284 |
|
NIE. specyfikacji A |
124 |
92 |
12 |
16 |
70 |
77 |
391 |
|
Paleo-Inuici |
Eskimosów |
historyczny |
nowoczesny |
holocenu syberyjskiego |
inne b |
całkowity |
||
( b ) |
||||||||
DNA |
Sanger C |
23/87 |
128/261 |
20/51 |
9/14 |
13/30 |
0/36 |
193/479 |
3 × pokrycie d |
12/41 |
84/197 |
62/126 |
14/14 |
27.14 |
1/14 |
199/431 |
|
10 × pokrycie d |
2/41 |
28/197 |
37/126 |
14/14 |
27.03 |
0/14 |
94/431 |
|
NIE. specyfikacji A |
92 |
289 |
147 |
24 |
40 |
36 |
628 za |
|
Tabela 2.
Psy kontra wilki |
Pies paleo-inuicki kontra pies inuicki |
Pies Eskimosów kontra pies Grenlandii |
|||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
porównanie |
walidacja krzyżowa (%) |
porównanie |
walidacja krzyżowa (%) |
porównanie |
walidacja krzyżowa (%) |
||
czaszka |
rozmiar |
W = 137, p = 8 × 10-4 |
91,2 (62,5–100%) |
W = 141, p = 0,02 |
71% (63,6–77,3%) |
W = 75, p = 0,7 |
38% (12,2–50%) |
kształt |
F 4,35 = 9,16, p = 3,58 × 10-5 |
86,7% (50–100%) |
fa 2,25 = 6,3, p = 6 × 10-3 |
75,5% (68,2–86,4%) |
F 2,22 = 2,3, p = 0,1 |
56,4% (43,7–68,7%) |
|
formularz |
F 4,35 = 2,89, p = 0,036 |
85,5% (50–100%) |
F 3,24 = 3,807, p = 0,023 |
76,2% (63,6–82%) |
F 3,21 = 2,03, p = 0,14 |
54,4% (37,5–75%) |
|
allometrie |
F35,2 = 1,19, p = 0,56 |
F23,2 = 0,9374, p = 0,64 |
F 20,2 = 1,163, p = 0,56 |
||||
wariancja wielkości |
x 2 = 1,5, p = 0,22 |
x 2 = 4 × 10-4 , p = 0,98 |
x 2 = 0,49, p = 0,48 |
||||
wariancja kształtu |
d var = 0,0012, p = 0,10 |
re var = 3 × 10-4 , p = 0,57 |
re var = 5 × 10-5 , p = 0,91 |
||||
M1 |
rozmiar |
W = 18 576, p < 2,2 × 10-16 |
89,2% (88–90,6%) |
W = 2776, p = 0,1418 |
55% (37,6–61,4%) |
W = 906, p = 5 × 10-4 |
68,9% (62–76%) |
kształt |
F 17 267 = 29,2, p < 2 × 10-16 |
91,9% (90,1–93,5%) |
fa 7134 = 17,4, p = 2 × 10-16 |
81,1% (77,2–85,1%) |
fa 5,72 = 12,317, p = 2 × 10-8 |
81,4% (75–90%) |
|
formularz |
F 12272 = 46,6, p < 2 × 10-16 |
94,8% (93,8–95,9%) |
F 8133 = 15,591, p = 4 × 10-16 |
81,2% (78–84,3%) |
fa 8,69 = 10,4, p = 8 × 10-8 |
82,9% (76–90%) |
|
allometrie |
F 98184 = 1,41, p = 0,022 |
F 98,41 = 0,84, p = 0,76 |
F 73,2 = 1,06, p = 0,6 |
||||
wariancja wielkości |
x 2 = 16,8, p = 4 × 10-5 ( Psy > Wilki) |
x 2 = 0,25, p = 0,62 |
x 2 = 3,3, p = 0,07 |
||||
wariancja kształtu |
d var = 0,0001, p = 0,01 (Psy > Wilki) |
re var = 7 × 10-5 , p = 0,281 |
re var = 4 × 10-5 , p = 0,6 |
||||
żuchwa |
rozmiar |
W = 12 156, p < 2 × 10-16 |
79% (77,6–80,3%) |
W = 3435, p = 2 × 10-10 |
78,5% (76–81,3%) |
W = 655, p = 5 × 10-3 |
63,5% (57,9–71%) |
kształt |
F 14 232 = 22,79, p < 2 × 10-16 |
87,2% (85,1–89,4%) |
fa 6,127 = 12,7, p = 3 × 10-11 |
78,6% (74–82,3%) |
fa 6,60 = 10,7, p = 4 × 10-8 |
85% (76,3–92,1%) |
|
formularz |
F 15 231 = 39,08, p < 2 × 10-16 |
93,7% (92,6–95,2%) |
F 7,126 = 18,104, p < 2 × 10-16 |
83,8% (80,2–87,5%) |
fa 5,61 = 12,68, p = 2 × 10-8 |
84,2% (78,9–89,5%) |
|
allometrie |
F 26 218 = 4,52, p = 1,8 × 10-10 |
F 26,105 = 4,85, p = 3 × 10-9 |
F 26,38 = 1,42, p = 0,15 |
||||
wariancja wielkości |
x 2 = 0,04, p = 0,83 |
x 2 = 2,94, p = 0,08 |
x 2 = 2,68, p = 0,101 |
||||
wariancja kształtu |
d var = 0,0004, p = 0,026 (Psy > Wilki) |
re var = 3 × 10-4 , p = 0,202 |
re var = 5 × 10-4 , p = 0,178 |
||||
Porównania parami między psami i wilkami, psami Paleo-Inuitów i Eskimosów oraz Eskimosów i niedawnych psów Grenlandii. Różnice ocenia się za pomocą testu Wilcoxona dla rozmiaru, MANOVA dla kształtu i formy oraz MANCOVA dla allometrii. Różnice w wariancjach są testowane zgodnie z [27] dla kształtu i testami Flignera-Killeena dla rozmiaru. Odsetki walidacji krzyżowej typu „pomiń jeden poza” uzyskano ze 100 liniowych analiz dyskryminacyjnych opartych na zbilansowanych próbach i redukcji wymiarowości [28] i przedstawiono jako średnią i 90,0% przedział ufności. Zacienione pola to wyniki nieistotne po skorygowaniu wartości p dla wielokrotnych porównań.
Analizy psów wykazały, że psy Eskimosów różnią się zarówno od paleoinuickich, jak i współczesnych psów grenlandzkich ( ryc. 1 i tabela 2 ). Psy Eskimosów były zwykle większe niż psy Paleo-Inuitów, ale mniejsze niż współczesne psy Grenlandii bez allometrycznego powtórzenia wzoru (z wyjątkiem żuchwy między Paleo-Inuitami a Eskimosami; ryc. 1a i tabela 2 ). Dla porównania, psy Eskimosów mają proporcjonalnie węższą czaszkę, mniej uniesioną mózgoczaszkę, szerszą dolną M1 i bardziej rozwiniętą gałąź wstępującą żuchwy niż psy Paleo-Inuitów (ryc. 1c ) . Tam, gdzie różnice są znaczące, średnia walidacji krzyżowej między psami Paleo-Inuitów i Eskimosów waha się od 71,0% do 83,8% w zależności od elementu (tabela 2 ).
Nie wykryliśmy żadnych różnic w czaszkach między Eskimosami a niedawnymi psami z Grenlandii ( tabela 2 ). Jednak psy Eskimosów i Grenlandii różniły się wielkością, kształtem i kształtem dolnego M1 i żuchwy (średnia walidacja krzyżowa w zakresie od 63,5% do 85,0%), bez zmian w relacji rozmiar-kształt (allometrie) ani wariancji. W porównaniu z historycznymi i współczesnymi psami arktycznymi, psy Eskimosów wykazywały proporcjonalnie szerszy trzonowiec i bardziej wypukłe zagięcie trzonu żuchwy ( ryc. 1c ) . Psy Inuitów wykazują podobny kształt czaszki do współczesnych psów arktycznych, różniąc się od psów paleo-inuickich, chociaż psy eskimosów różnią się równoważnie od psów paleo-inuickich i niedawnych psów arktycznych trzonowcami i żuchwą (tabela 2 ) .
Biorąc pod uwagę, że analizy GMM sugerowały, że psy związane z różnymi grupami kulturowymi były morfologicznie rozbieżne, oceniliśmy, czy Paleo-Inuici, Inuici oraz historyczne i współczesne psy arktyczne były również genetycznie odrębne. Uzyskaliśmy genomy mitochondrialne ze 186 próbek z minimalnym średnim pokryciem trzykrotnym, aby zbadać różnorodność mitochondrialną psów arktycznych w czasie i śladowe wzorce migracji. Dodatkowe 40 próbek przypisano do określonych haplogrup przez wygenerowanie sekwencji regionu kontrolnego mitochondriów przy użyciu sekwencjonowania Sangera ( tabela 1 ). Na całym świecie współczesne i starożytne psy domowe dzielą się na cztery główne (A–D) i dwa mniejsze (E–F) klady mitochondrialne [ 4 , 26 , 29]. Nasze analizy filogenetyczne wykazały, że prawie wszystkie pobrane psy należały do mitochondrialnego kladu A (elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S4). Zidentyfikowaliśmy również cztery główne podklady w obrębie kladu A: A1a, A2a, A1b i A2b, z których trzy zostały wcześniej zidentyfikowane w Arktyce (A1b, A2a [23] i A2b [ 4 ]) ( ryc. 2 ). Dla kontrastu, większość współczesnych europejskich psów ma haplotypy w kladzie A1a.
Wszystkie wcześniej pobierane próbki psów z obu Ameryk, w tym najwcześniejsze okazy znane z kontynentu, posiadały wyłącznie haplotypy A2b [ 4 , 11 ] ( ryc. 2 ). Jednorodność tego kladu we wczesnych kontekstach i pojawienie się psów niosących różne haplotypy w późniejszych okresach sugeruje, że określone populacje psów były związane z różnymi grupami kulturowymi. Tak więc nasze dane pokazują, że wczesne migracje ludzi (sprzed 10 000 lat temu) do obu Ameryk były związane z psami posiadającymi tylko haplotypy A2b, podczas gdy późniejsze migracje (po 5500 lat temu) do północnoamerykańskiej Arktyki wprowadziły psy posiadające haplotypy należące do podkladów A1a, A1b i A2a ( ryc. 2 ).
Spośród 92 okazów, które zostały wyekstrahowane i zsekwencjonowane z kontekstów Paleo-Eskimosów, tylko 12 posiadało wystarczającą ilość DNA, aby można je było przypisać do haplogrup. Pomimo tej wielkości próby dane te stanowią jedyne obecnie dostępne informacje genetyczne dotyczące psów paleo-inuickich. Podczas gdy większość psów Paleo-Inuitów posiadała haplotypy A2b (83,3%), dwa okazy Paleo-Inuitów z Alaski posiadały haplotypy A2a (CK-H37-M1, SEL-33-0057b), co sugeruje, że haplotyp A2a był obecny w północnoamerykańskiej Arktyce przed okres Eskimosów ( rysunek 2). Znaleźliśmy haplotypy bezpośrednio podstawowe dla tej subklady A2 na Syberii, datowane na kilka tysięcy lat przed kolonizacją Północnoamerykańskiej Arktyki przez Eskimosów, co sugeruje, że pojawienie się tych linii na stanowiskach Paleo-Eskimosów było wynikiem syberyjskiego pochodzenia psów i osób (dodatkowy materiał elektroniczny, rysunek S4). Tak więc, chociaż Eskimosi prawdopodobnie nie byli odpowiedzialni za pierwsze pojawienie się tej linii psów w obu Amerykach, byli odpowiedzialni za znaczną ekspansję geograficzną tej linii do wschodniej Arktyki, gdzie w okresie Eskimosów stali się najpowszechniejszymi haplotypami w całej północnoamerykańskiej Arktyce ( ryc. 2 ).
Przesunięcia czasowe w częstości haplotypów mitochondriów sugerują bliskie zastąpienie psów Paleo-Inuitów w północnoamerykańskiej Arktyce zbiegające się z ekspansją Eskimosów z Syberii ( ryc. 2 i elektroniczny materiał uzupełniający, ryc. S11). Analizy demograficzne (zrekonstruowane z wykresów Bayesa) pokazują widoczne skutki założycieli zbiegające się z czasem ekspansji Eskimosów na wschód około 1000 lat temu (dodatkowy materiał elektroniczny, rysunek S9). Wzorzec częstotliwości haplotypów między lokalizacjami i okresami dostarcza mocnych dowodów na to, że migranci Eskimosów przywieźli ze sobą psy z Syberii ( ryc. 2); dodatkowe materiały elektroniczne, rysunek S11). W szczególności częstości haplotypów z różnych podklad różniły się znacznie między próbkami z Paleo-Inuitów i Eskimosów z Arktyki ( F ST = 0,33, p < 0, 001), ale były podobne między próbkami Eskimosów z Syberii i Ameryki Północnej ( F ST = 0, 04, p > 0.10; patrz elektroniczny materiał uzupełniający, tekst i rysunek S11). Wyniki te są zgodne z wynikami wcześniejszych analiz genetycznych człowieka, które powiązały grupy Eskimosów zarówno z populacjami syberyjskimi, jak i wcześniejszymi populacjami Alaski [ 30 , 31 ].
Eskimosów i populacje historyczne posiadały również różne częstości haplotypów ( F ST = 0,33, p <0,001; ryc. 2 ). W szczególności haplotypy A1a wzrosły w ciągu ostatnich 300 lat. Nowsza ekspansja podkladów A1a i A1b w porównaniu z podkladami A2a została dodatkowo poparta analizą sieci i wykresami Bayesa (patrz elektroniczny materiał uzupełniający, tekst i rysunek S12). Europejska eksploracja zarówno Grenlandii, jak i kanadyjskiej Arktyki w XIX i XX wieku oraz dziewiętnastowieczna gorączka złota na Alasce zwiększyły interakcje między rdzennymi grupami arktycznymi a Europejczykami, ułatwiając podróże na większe odległości zarówno psom, jak i ludziom [24] .]. To mieszanie się kultur sprowadziło do regionu dużą liczbę psów euroazjatyckich [ 22 ], prawdopodobnie przyczyniając się do wzrostu częstości występowania haplotypów A1a. Z drugiej strony dwa przypadki haplotypów subklady A1a z północnej Alaski w próbce archeologicznej Eskimosów sugerują możliwość dryfu jako częściowego wyjaśnienia wzrostu częstotliwości tej subklady w ciągu ostatnich 300 lat. Śmiertelne epidemie wśród miejscowych psów doprowadziły również do rotacji populacji na dużą skalę i zastąpienia ras europejskich w wielu regionach [ 24 , 32]. Chociaż linia psów Eskimosów została zachowana zarówno u współczesnych kanadyjskich Eskimosów, jak i grenlandzkich psów zaprzęgowych, zmieniła się różnorodność mitochondrialnych haplotypów populacji. Niska częstość haplotypów A1a w populacjach psów Eskimosów (2,9%) stoi w wyraźnym kontraście z wysoką częstością haplotypów Ala u niedawnych psów arktycznych (37%). Nie zaobserwowaliśmy haplotypów A1a w populacjach psów paleo-inuickich. Nasze wyniki pokazują, że chociaż współczesne północnoamerykańskie psy arktyczne wywodzą się w dużej części z populacji Eskimosów, w epoce historycznej/nowoczesnej miała miejsce regionalna europejska introgresja A1a, która przyczyniła się do wzrostu częstości występowania A1a.
(b) Psowate jako narzędzia adaptacji człowieka do środowisk arktycznych
Psy są ważnym symbolem kulturowym w północnoamerykańskiej Arktyce, gdzie psy zaprzęgowe i trakcja z psami są bardzo widocznymi elementami tożsamości Arktyki [ 33-35 ] . Psy były wykorzystywane nie tylko do pociągów i zaprzęgów, ale także do polowań, odzieży i okazjonalnie jako pokarm albo preferencyjnie, albo w okresach głodu [ 36 ]. Wilki i inne dzikie psowate były dodatkowo wykorzystywane do produkcji skór chroniących przed gromadzeniem się mrozu lub zabijane jako środek ostrożności przed potencjalnym drapieżnictwem lub konfliktem [ 37 , 38 ].
Podczas gdy większość zbiorowisk arktycznych składa się głównie z domowych okazów psowatych, istnieją dowody na to, że wilki były również wykorzystywane w okresie Eskimosów. Na podstawie wielkości duża żuchwa z Nunalleq – stanowiska Thule Inuit na południowo-zachodniej Alasce [ 39 ] – została tymczasowo zidentyfikowana jako szary wilk (AL2797) wraz z dużą liczbą okazów psów [ 38 , 40]. Analiza filogenetyczna genomu mitochondrialnego tego osobnika umieszcza go wśród współczesnych i historycznych wilków z Alaski i Kanady (dodatkowy materiał elektroniczny, rysunek S3). Ta identyfikacja została dodatkowo potwierdzona przez wiele analiz opartych na genomie jądrowym o niskim zasięgu uzyskanym od tej osoby (elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S10). Dwie dodatkowe próbki z Alaski (TRF.02.27, TRF.02.28) pobrane z odzieży wykonanej ze skór psowatych znajdujących się w zbiorach etnograficznych są również prawdopodobnie wykonane ze skór wilków na podstawie ich genomów mitochondrialnych (dodatkowy materiał elektroniczny, rysunek S4), co wskazuje, że użycie wilczych skór trwało co najmniej w okresie historycznym, pomimo łatwego dostępu do psów.
Zarówno dziewiętnastowieczni odkrywcy Arktyki, jak i dwudziestowieczni antropolodzy donosili, że grupy arktyczne często zachęcały do krzyżowania swoich psów z populacjami wilków w celu utrzymania i wzmocnienia swoich linii [ 41 – 44 ]. W naturze zaobserwowano asymetryczne nastawienie z dowodami na dominującą hybrydyzację samca wilka z psem i zaobserwowano tylko rzadkie przypadki hybrydyzacji samca wilka z samicą psa [ 45]. Chociaż natura hybrydyzacji samic wilka i samca psa skutkowałaby tym, że potomstwo nosiłoby wilcze genomy mitochondrialne, z dużym prawdopodobieństwem wykluczyłoby to potomstwo z domowego kontekstu archeologicznego. Z drugiej strony, celowa hybrydyzacja psów i wilków byłaby prawdopodobnie ukierunkowana na kojarzenie samców wilków z samicami poprzez celowe pikietowanie samic w okresie rui [ 46 ]. Asymetria płci w hybrydyzacji wilka pozostaje niejasna, chociaż wyjaśnienia ograniczonej hybrydyzacji samca wilka z samicą psa związane są z ograniczeniami biologicznymi i behawioralnymi, takimi jak agresja samców wilka wobec psów, zgodność społeczna i cykle płodności [ 45 , 47], introgresja mitochondrialna z wilków do psów jest nieprawdopodobna i nie zaobserwowaliśmy tego w naszym zbiorze danych mitochondrialnych. Anegdoty o hybrydyzacji między wilkami i psami są jednak dziś szeroko rozpowszechnione na Grenlandii, a doniesienia te sugerują, że hybrydy często są kiepskimi psami zaprzęgowymi, a cechy wilka są podobno selekcjonowane [44 , 46 ] . To, w połączeniu z obserwowaną rzadkością przepływu genów między wilkami a psami na przestrzeni tysięcy lat [ 48 , 49] sprawia, że jest mało prawdopodobne (choć nie niemożliwe), aby jakiekolwiek podobieństwa obserwowane między psami Eskimosów i wilkami arktycznymi były wynikiem systematycznej hybrydyzacji, a analiza jądrowego DNA wyjaśni to. Ponadto większy rozmiar czaszki i żuchwy psów Eskimosów w porównaniu z psami z okresu Paleo-Eskimosów byłby zaletą dla ich roli w transporcie i trakcji w tym okresie, chociaż ogólna wytrzymałość psów jest trudna do oszacowania wykryć na podstawie samych elementów czaszki. Bardziej obszerne analizy elementów pozaczaszkowych mogłyby dodatkowo określić ilościowo wyjątkową morfologię wymaganą do długotrwałej specjalizacji w ciągnięciu sanek.
(c) Nowe psy z kladu X we wschodniej Syberii i na Alasce
Analiza filogenetyczna ujawniła również siedem mitogenomów psowatych (03.P04.H1.1024, AL2990, AL2991, AL3004, AL3053, AL3007, TRF.02.29) skupiających się ze współczesnymi wilkami eurazjatyckimi, poza wszelkimi znanymi kladami psów domowych, tworząc nową podkladę, o której mowa w to badanie jako klad X (elektroniczny materiał uzupełniający, rysunki S2, S4 – S6 i S8). Trzy próbki z kladu X pochodzą z kontekstów archeologicznych: dwie z neolitycznych psowatych syberyjskich wykopanych na stanowisku Boisman II w dystrykcie chasańskim w Kraju Nadmorskim w Rosji (AL2990, AL2991; patrz dodatkowe materiały elektroniczne, tabela S5 dla dat radiowęglowych) i jedna pies ze stanowiska Birnirk, Pajpel’gak na Czukotce (03.P04.H1.1024). Dodatkowo ta nowatorska podklada zawiera cztery historyczne psy z Kamczatki, Czukotki, Wyspy Beringa i Alaski.
Podczas gdy klad X skupia się ze współczesnymi wilkami szarymi, włączenie kilku niedawnych psów o znanym pochodzeniu eliminuje możliwość, że ten klad reprezentuje szare wilki. Chociaż, jak omówiono wcześniej, krzyżowanie psów i wilków jest generalnie ukierunkowane na kojarzenie samców wilków z samicami psów, co nie skutkowałoby przejściem genomów mitochondrialnych z wilków na psy. Klad X może reprezentować starożytną introgresję mitochondrialnych haplotypów wilka do psów. Ponadto starożytne pochodzenie kladu potwierdza próbka AL2991 (BOIS 5), którą bezpośrednio datowano na okres między 6660 a 6495 cal. BP, należący do kladu. To starożytne pochodzenie jest potwierdzone przez drzewo Bayesa, wygenerowane za pomocą BEAST2.4 i skalibrowane za pomocą datowanych próbek, oszacowanie pochodzenia kladu między 5300 a 10 000 lat pne (elektroniczny materiał dodatkowy, ryc. S8). Ze względu na ograniczenia dotyczące pokrycia użytego w próbce analizy bayesowskiej AL2991, najstarsza datowana próbka z kladu, nie została uwzględniona w analizie. Włączenie AL2991 mogło przesunąć wiek kladu do tyłu, ponieważ AL2991 leży dobrze w obrębie kladu, a nie w jego podstawach i jest o kilka tysiącleci starszy niż próbki uwzględnione w analizie bayesowskiej. Nawet AL2991 uwzględniony w analizie bayesowskiej wiek próbki mieści się w szacowanym oknie pochodzenia dla kladu X. Stosunkowo niedawne pochodzenie tego kladu, w porównaniu z niektórymi z bardziej znanych kladów mitochondrialnych, sugeruje, że klad X nie był obecny u psów w czasie udomowienia. Linia kladu X pojawia się również u psów historycznych, wykazując kontynuację linii aż do co najmniej 75 lat temu. Pojedynczy osobnik niosący genom mitochondrialny kladu X na Alasce może wskazywać na stosunkowo niedawne wprowadzenie linii do północnoamerykańskiej Arktyki po przybyciu Eskimosów, co wyjaśnia, dlaczego linia nie rozprzestrzeniła się w północnoamerykańskiej Arktyce podczas migracji i ekspansji Eskimosów jak haplotypy A1a i A1b. Brak haplotypów kladu X w opublikowanych badaniach świadczy o pozornie niskiej częstotliwości i ograniczonym rozmieszczeniu tych haplotypów na dalekiej wschodniej Syberii i Alasce. Ponadto brak tych haplotypów u współczesnych psów może odzwierciedlać dotychczasowy brak systematycznego pobierania próbek w regionie, niską częstotliwość lub zanik tych haplotypów. Pojedynczy osobnik niosący genom mitochondrialny kladu X na Alasce może wskazywać na stosunkowo niedawne wprowadzenie linii do północnoamerykańskiej Arktyki po przybyciu Eskimosów, co wyjaśnia, dlaczego linia nie rozprzestrzeniła się w północnoamerykańskiej Arktyce podczas migracji i ekspansji Eskimosów jak haplotypy A1a i A1b. Brak haplotypów kladu X w opublikowanych badaniach świadczy o pozornie niskiej częstotliwości i ograniczonym rozmieszczeniu tych haplotypów na dalekiej wschodniej Syberii i Alasce. Ponadto brak tych haplotypów u współczesnych psów może odzwierciedlać dotychczasowy brak systematycznego pobierania próbek w regionie, niską częstotliwość lub zanik tych haplotypów. Pojedynczy osobnik niosący genom mitochondrialny kladu X na Alasce może wskazywać na stosunkowo niedawne wprowadzenie linii do północnoamerykańskiej Arktyki po przybyciu Eskimosów, co wyjaśnia, dlaczego linia nie rozprzestrzeniła się w północnoamerykańskiej Arktyce podczas migracji i ekspansji Eskimosów jak haplotypy A1a i A1b. Brak haplotypów kladu X w opublikowanych badaniach świadczy o pozornie niskiej częstotliwości i ograniczonym rozmieszczeniu tych haplotypów na dalekiej wschodniej Syberii i Alasce. Ponadto brak tych haplotypów u współczesnych psów może odzwierciedlać dotychczasowy brak systematycznego pobierania próbek w regionie, niską częstotliwość lub zanik tych haplotypów.
3. Wniosek
Przedstawione tutaj dane fenotypowe i genetyczne sugerują, że nowa populacja psów, która była morfologicznie odmienna i genetycznie bardziej zróżnicowana niż wcześniejsze psy paleo-inuickie, towarzyszyła migrantom Eskimosów do i przez północnoamerykańską Arktykę. Migracja Eskimosów stanowi znaczący epizod w historii psów w północnoamerykańskiej Arktyce, a rozproszenie kultury Eskimosów znajduje odzwierciedlenie w rozproszeniu jej genetycznie odrębnych psów. Mówiąc dokładniej, nasze dane wskazują, że chociaż psy posiadające sygnatury A2a były obecne w północnoamerykańskiej Arktyce przed przybyciem Eskimosów, były odpowiedzialne za dominację i ekspansję subklady A2a na wschód. Zasiedlenie północnoamerykańskiej Arktyki przez kultury Eskimosów przyniosło bardziej zróżnicowaną pod względem mitochondrialnym i odrębną morfologicznie populację psów, a późniejsza europejska kolonizacja północnoamerykańskiej Arktyki dodatkowo wpłynęła na różnorodność mitochondriów w ostatnich stuleciach. Pomimo faktu, że psie zaprzęgi są dziś szeroko kojarzone z północnoamerykańską Arktyką, przed okresem Eskimosów były prawdopodobnie mniej powszechne. Zachowanie tych charakterystycznych psów Eskimosów jest prawdopodobnie odzwierciedleniem wysoce wyspecjalizowanej roli, jaką psy odgrywały zarówno w transporcie na duże odległości, jak i codziennych praktykach utrzymania w społeczeństwie Eskimosów. Dziedzictwo tych psów Eskimosów przetrwało do dziś w arktycznych psach zaprzęgowych, co czyni je jednymi z ostatnich pozostałych populacji potomków przedeuropejskiej linii psów w obu Amerykach. Pomimo faktu, że psie zaprzęgi są dziś szeroko kojarzone z północnoamerykańską Arktyką, przed okresem Eskimosów były prawdopodobnie mniej powszechne. Zachowanie tych charakterystycznych psów Eskimosów jest prawdopodobnie odzwierciedleniem wysoce wyspecjalizowanej roli, jaką psy odgrywały zarówno w transporcie na duże odległości, jak i codziennych praktykach utrzymania w społeczeństwie Eskimosów. Dziedzictwo tych psów Eskimosów przetrwało do dziś w arktycznych psach zaprzęgowych, co czyni je jednymi z ostatnich pozostałych populacji potomków przedeuropejskiej linii psów w obu Amerykach. Pomimo faktu, że psie zaprzęgi są dziś szeroko kojarzone z północnoamerykańską Arktyką, przed okresem Eskimosów były prawdopodobnie mniej powszechne. Zachowanie tych charakterystycznych psów Eskimosów jest prawdopodobnie odzwierciedleniem wysoce wyspecjalizowanej roli, jaką psy odgrywały zarówno w transporcie na duże odległości, jak i codziennych praktykach utrzymania w społeczeństwie Eskimosów. Dziedzictwo tych psów Eskimosów przetrwało do dziś w arktycznych psach zaprzęgowych, co czyni je jednymi z ostatnich pozostałych populacji potomków przedeuropejskiej linii psów w obu Amerykach.
4. Materiał i metody
(a) Starożytne i współczesne okazy
Próbki materiałów archeologicznych i etnograficznych pobrano z Paleo-Eskimosów, Inuitów, kontekstów historycznych i współczesnych w północnoamerykańskiej Arktyce, subarktycznej wschodniej Kanadzie, Islandii i wschodniej Syberii. Całkowity zestaw danych genetycznych 628 próbek składał się z 186 nowych sekwencji ( tabela 1 ) i 221 wpisów GenBank (elektroniczny materiał uzupełniający, tabela S1 i S2). W sumie 512 próbek zostało przeanalizowanych za pomocą GMM, a zbiór danych obejmuje 40 czaszek, 247 żuchwy i 284 dolnych pierwszych zębów trzonowych (59 pojedynczych próbek zostało przeanalizowanych przez więcej niż jeden element; elektroniczny materiał uzupełniający, tabela S3).
(b) Ekstrakcja i sekwencjonowanie starożytnego DNA
Wszystkie próbki były przetwarzane w obiektach przeznaczonych do analiz starożytnego DNA, a wszystkie PCR przeprowadzono w oddzielnych obiektach [ 50 ]. Prace laboratoryjne starożytnego DNA były prowadzone w czterech instytucjach: Szwedzkim Muzeum Historii Naturalnej, Centrum GeoGenetyki w Muzeum Historii Naturalnej w Danii, Laboratorium PalaeoBARN Uniwersytetu Oksfordzkiego oraz Laboratorium Genetyki Weterynaryjnej (VGL) na Uniwersytecie w Kalifornia, Davis (UC Davis).
Całkowity genomowy DNA został wyekstrahowany z 628 próbek z całej Rosji i Arktyki w Ameryce Północnej przy użyciu zmodyfikowanych metod ekstrakcji DNA z poprzednich badań ([ 51 , 52 ], patrz elektroniczny materiał uzupełniający). Kompletne genomy mitochondrialne uzyskano za pomocą sekwencjonowania typu shotgun (422 próbki) lub metody wychwytywania mitochondriów (308 próbek). Szczegóły dotyczące podejścia i przygotowania biblioteki znajdują się w dodatkowym materiale elektronicznym, tekst. Po sekwencjonowaniu odczyty z każdej próbki zostały zmapowane do genomu referencyjnego CanFam3.1 za pomocą BWA aln, a dopasowane odczyty z wynikiem jakości mapowania niższym niż 30 zostały odfiltrowane z wynikowych plików bam [ 53 , 54]. Następnie wywołano sekwencje konsensusowe i sekwencje dopasowano do panelu sekwencji referencyjnych.
Uzyskano kompletne genomy mitochondrialne dla 147 próbek, które miały co najmniej trzykrotną głębokość odczytu ponad 80% genomu mitochondrialnego i filogenezy o maksymalnej wiarygodności z konstruowanymi przy użyciu RAxML [ 55 , 56 ]. Dodatkowo 94 próbki miały genomy z 10-krotnym średnim pokryciem, które zostało zredukowane do 76 próbek z minimalną średnią 10-krotną głębokością odczytu co najmniej 80% pokrytych miejsc. Te 76 genomów mitochondrialnych wykorzystano następnie do dalszych analiz demograficznych. Bardziej solidne drzewa filogenetyczne zostały skonstruowane z 10-krotnego zestawu danych z RAxML i BEAST2.4 [ 55 – 57 ]. Efektywna wielkość populacji została wywnioskowana z wykresów Bayesian Skyline wygenerowanych za pomocą BEAST2.4 [ 55 – 57]. Ponadto fragmentaryczne sekwencje mitochondrialne uzyskano z 40 dodatkowych próbek przy użyciu sekwencjonowania Sangera, z których wszystkie posiadały wystarczające informacje, aby przypisać powstałe sekwencje pętli D do określonych haplotypów. Dane te zostały połączone z wcześniej opublikowanymi danymi dotyczącymi psów przedkontaktowych z obu Ameryk, współczesnych psów i współczesnych wilków pozyskanych z GenBank do analiz filogenetycznych i demograficznych (elektroniczny materiał uzupełniający, tabela S2) [4 , 26 ] .
(c) Morfometria geometryczna
Analizy morfometrii geometrycznej przeprowadzono łącznie na 571 elementach (MNI = 401). Kształt żuchwy i dolnego M1 analizowano dwuwymiarowo na podstawie fotografii (zob. elektroniczny materiał uzupełniający, szczegóły protokołu w tekście) zdigitalizowanych odpowiednio z 15 punktami orientacyjnymi oraz dwoma punktami orientacyjnymi i 49 ruchomymi półpunktami orientacyjnymi przy użyciu tpsDig2 (dodatkowy materiał elektroniczny, ryc. S14) [ 58 ]. Czaszkę analizowano trójwymiarowo przy użyciu modeli zbudowanych metodą fotogrametrii [ 59 ] w Agisoft PhotoScan (Agisoft LLC, St Petersburg, Rosja), z 30 punktami orientacyjnymi zdigitalizowanymi przy użyciu MorphoDig [ 60 ] (dodatkowy materiał elektroniczny, rysunek S14). Przed analizami współrzędne zostały nałożone na uogólnioną analizę odbytu (GPA) [ 61 ,62 ] z wykorzystaniem kryterium odległości Procrustesa do optymalizacji pozycji półpunktów orientacyjnych i symetryzacji lewych i prawych punktów orientacyjnych dla czaszki.
Zmienność wielkości testowano za pomocą testu Wilcoxona i wizualizowano za pomocą wykresów pudełkowych pokazujących przekształcony w logarytm rozmiar centroidu. Zmienność kształtu i formy (rozmiar + kształt) zbadano za pomocą analizy głównych składowych (PCA, elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S15), zanim różnice zostały przetestowane za pomocą MANOVA i zwizualizowane za pomocą analizy zmiennych kanonicznych (elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S16) w oparciu o zmniejszona liczba wyników PCA [ 28 ]. Różnice między grupami przedstawiono również za pomocą sieci łączących sąsiadów w oparciu o odległości Mahalanobisa i wizualizację zmian kształtu wzdłuż osi dyskryminacyjnej. Odsetki walidacji krzyżowej obliczono zgodnie z [ 28] i są przedstawiane jako średnia i 90% przedział ufności 100 analiz dyskryminacyjnych opartych na powtórnie próbkowanej zrównoważonej wielkości grupy. Allometrie (zależności wielkości i kształtu) przetestowano przy użyciu MANCOVA. Analizy wariancji Procrustesa przeprowadzono po [ 27 ] dla kształtu i testach Flignera-Killeena dla rozmiaru. Wszystkie analizy statystyczne zostały wykonane w wersji R v. 3.4.3 [ 63 ] głównie z pakietem Morpho[ 64 ].
Dostępność danych
Dopasowania sekwencji mitochondrialnych zostały zdeponowane w Europejskim Archiwum Nukleotydów (ENA) z projektem nr. PRJEB31489.
Wszystkie zestawy danych są dostępne w elektronicznych plikach materiałów dodatkowych, a dopasowania sekwencji mitochondriów zostały zdeponowane w Europejskim Archiwum Nukleotydów (ENA) z projektem nr. PRJEB31489.
Wkład autorów
Badania zaprojektowane przez CA, TRF, SKB, KD, LFF, GL, BS, CMD i AE; CA, TRF, AL, SKB, AH-B., ZL, OL, M.-HSS, JH i AE przeprowadzili badania; Analizowane dane CA, TRF, SKB, AH-B., M.-HSS, ZL, ATL, LFF i AE; i CA, TRF, ALSKB, LFF, GL i AE, napisali artykuł z udziałem wszystkich autorów.
Konkurujące interesy
Oświadczamy, że nie mamy konkurencyjnych interesów.
Finansowanie
Następujące osoby i instytucje wsparły to badanie: Doug Anderson; Mogensa Andersena; Petera M. Bowersa; Joanna Ptak; Stephena Browna; płowy Carter; Neila Duncana; Maksa Friesena; Stacey Girling-Christie; Kristiana Gregersena; Johna Hoffeckera; Claire Houmard; Susan Kaplan; Briana Kooymana; Reinhardt Møbjerg Kristensen; Genevieve LeMoine; Owena Masona; Davida Morrisona; Georga Nyegaarda; Anne Mette Olsvig; Jeff Rasic; Knuda Rosenlunda; Karen Ryan; Chelsea Smith; Kevina P. Smitha; Douga Stentona; Daniela Thorleifsena; Andrew Tremayne’a; Karen Robotnik; Bill Workman; Muzeum Antropologii Maxwella; Qanirtuuq Inc., Quinhagak, AK; Centrum Archeologii i Kultury Nunalleq oraz Wolfson College na Uniwersytecie Oksfordzkim. Badania te zostały sfinansowane z następujących grantów: AHRC (grant nr AH/K006029/1), AHRC-LabEx (grant nr AH/N504543/1),
Podziękowanie
Potwierdzamy udział ZIN RAS (nr zadania stanowego AAAA-A17-11702281019503) oraz wsparcie Science for Life Laboratory, National Genomics Infrastructure i UPPMAX (projekt nr b2014314) za zapewnienie pomocy w masowym sekwencjonowaniu równoległym i obliczeniach infrastruktura.
przypisy
† CA, TRF, SKB i AL w równym stopniu przyczynili się do tego badania.
Elektroniczne materiały uzupełniające są dostępne online pod adresem https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4740998 .