Om du hade varit i norra Kanada för 45 miljoner år sedan, du kanske har stött på den avlägsna förfadern till alla ekar i Amerika. Den enstaka arten gav upphov till 220 fler och två distinkta linjer - röda ekar och vita ekar - som flyttade söderut genom den boreala zonen för att befolka stora delar av kontinenten hela vägen in i Mexiko. Dessa två fynd – samtidig evolutionär diversifiering i de röda och vita ekarna som var och en följer samma geografiska rutter; och två relativt nya ursprung av de mexikanska ekarna - är en överraskning av ett vetenskapligt mysterium som varit olöst fram till nu. Forskning publicerad denna vecka i tidskriften Ny fytolog berättar denna historia om amerikanska ekars evolutionära historia för första gången.

Genom att använda en kombination av nästa generations DNA-sekvensering och statistiska ekologiska metoder, forskarna drog slutsatsen den mest detaljerade och heltäckande evolutionära historien hittills för eksläktet Quercus. Deras arbete visar att de två stora grupperna av ekar i Nordamerika - de röda ekarna och de vita ekarna - oberoende och samtidigt strålade ut under de senaste 45 miljoner åren från en gemensam förfader. De röda ekarna och de vita ekarna fyllde samtidigt ekologiskt utrymme i Kalifornien samtidigt som de fyllde tillgängliga livsmiljöer i östra Nordamerika. Sedan, för mellan 10 och 20 miljoner år sedan, båda grupperna flyttade ner till bergen i Mexiko, där de två grupperna började diversifiera sig i ökad takt, snabbt flytta runt för att fylla ekologiskt (nisch) utrymme och producera arter snabbare än de hade gjort i norr.

"Trots det faktum att släktet Quercus dominerar trädbevuxna ekosystem i Nordamerika och Mexiko i både antal och biomassa, vi visste mycket lite innan den här studien om relationer mellan arter, och till och med om genetiska särdrag hos många av ekarna vi provade för tidningen, " sade huvudförfattaren Andrew Hipp från The Morton Arboretum. "Vår upptäckt att rödekarna och vita ekarna diversifierade sig samtidigt och parallellt i Amerika förklarar mycket av mångfalden av amerikanska ekar:det finns inte bara en stor eklinje i Amerika, men två, och några mindre. När du lägger ihop dessa, du upptäcker att du har en stor mångfald av ek."

Resultaten förklarar en långvarig fråga som samarbetspartner Jeannine Cavender-Bares från University of Minnesotas College of Biological Sciences har studerat:Varför förekommer avlägset besläktade ekarter tillsammans oftare än förväntat? Cavender-Bares tillbringade ett sabbatsår i Mexiko 2011 finansierat av ett Fulbright-stipendium vid Universidad Nacional Autónoma de Mexico med Antonio Gonzalez-Rodriguez, en ekspecialist och medarbetare i studien. De samlade och studerade de mexikanska ekarna för projektet. "Att inkludera de mexikanska ekarna i analysen var avgörande, " säger Cavender-Bares, "eftersom de avslöjade kraftigt ökade diversifieringshastigheter som en konsekvens av den dynamiska ökningen av bergskedjorna i den regionen med vulkanisk aktivitet för cirka 10-20 miljoner år sedan."

För att nå sina slutsatser, de ledande forskarna ägnade år åt att samla in prover och extrahera DNA från mer än 300 ekprover från USA, Mexiko, och Centralamerika. Forskarna läser ett stort antal regioner av genomet från varje prov med hjälp av nästa generations DNA-sekvenseringsmetoder, sedan rekonstruerade ungefär 40, 000 regioner av genomet med hjälp av beräkningsmetoder. De analyserade sedan dessa regioner av genomet statistiskt, att uppskatta livets ek. Denna uppskattning av ekens evolutionära historia fungerade som ramverket för att sluta sig till fördelningen av varje art i biogeografiska och ekologiska utrymmen, och att rekonstruera den evolutionära historien om ekologisk och artdiversifiering i släktet.

"Intrånget av tempererade härstamningar som ekarna i Latinamerika markerar en intressant biogeografisk katalysator i utvecklingen av Mexikos bergsväxtsamhällen, ", sa studiesamarbetspartner Paul Manos från Duke University. "Spridda pollenfossilregister från sjösediment gav några bevis på när ekarna anlände, men vi har nu en oberoende uppskattning baserad på en kalibrerad fylogeni, och rimliga hypoteser om de ekologiska drivkrafterna bakom dessa två parallella strålningar av röda och vita ekar."