Genetyka w ochronie przyrody Prowadzący: Prof. dr hab. Jacek Radwan konsultacje: środy 13-14 s. 0.12

Frankham, R; Ballou, J.D. David A. Briscoe, D.A. Introduction to Conservation Genetics; 2nd Edition. Cambridge University Press. 2010 http://www.amu.edu.pl/~biolewo/ Zaliczenie: Wykład: test zaliczeniowy Ćwiczenia: zadania, kolokwium zaliczeniowe Konwersatoria: referat (ocena 1), aktywność (ocena 2).

Główne cele Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody i Jej Zasobów (IUCN, International Union for Conservation of Nature)  Extinction crisis alleviated The extinction crisis and massive loss in biodiversity are universally adopted as a shared responsibility, resulting in action to reduce this loss of diversity within species, between species and of ecosystems.  Ecosystem integrity Ecosystems are maintained and where necessary restored, and any use of natural resources is sustainable and equitable

Ryzyko wyginięcia

Czas do wyginięcia

Krytycznie zagrożone

50%

10 lat/3 pokolenia

Zagrożone

20%

20 lat/5 pokoleń

Wrażliwe

10%

100 lat

Genetyka a ochrona gatunków  Zmiany środowiskowe wymagają adaptacji: kluczowa rola zmienności genetycznej

 Wzrost homozygotyczosci (inbredu) w małych populacjach  Hybrydyzacja i introgresja

 Identyfikacja gatunków  Wiedza o biologii gatunków (system kojarzeń, zasięg dyspersji itp.)

Puma florydzka (Puma concolor coryi) z powodu małej wielkości populacji i inbredu wykazuje m.in. wady rozwojowe i niską jakość nasienia. Zmienność genetyczną gatunku zwiększono poprzez krzyżowanie z najbliższym genetycznie podgatunkiem

Szakal abisyński = kaberu (Canis simensis), najbardziej zagrożony przedstawiciel canidae, narażony jest na utratę integralności genetycznej z powodu domieszki genów psa

Genetyka konserwatorska (Conservation genetics)

 Obejmuje zastosowania teorii i metod genetyki do zmniejszenia ryzyka wyginięcia gatunków  Wywodzi się z genetyki populacyjnej, ilościowej i ewolucyjnej, stosując ich metody od analizy zagroæonych populacji

Poruszane zagadnienia  Zmienność genetyczna w populacjach, jej miary i znaczenie  Efektywna wielkość populacji i populacyjne procesy kształtujące zmienność genetyczną: dryf, dobór, przepływ genów  Szkodliwe efekty homozygotyczności  Zmienność genetyczna i potencjał ewolucyjny  Genetyczne skutki fragmentacji i izolacji populacji  Losowe efekty genetyczne (dryf genetyczny)  Gromadzenie się szkodliwych mutacji

 Genetyka gatunków inwazyjnych i obcych  Genetyczne jednostki ochrony gatunkowej i programy genetycznej odnowy gatunków

Zarządzanie zasobami genetycznymi gatunków zagrożonych

Genetyka wymierania gatunków Inbred i homozygotyczność

Współczynnik inbredu F (Wright 1921): prawdopodobieństwo, że dwa allele są identyczne ze względu na pochodzenie (IBD, identical by descent) 0>F>1 F=1 oznacza kompletną homozygotyczność ale F ≠ heterozygotyczność !!! np. allele A i a równie częste, losowe krzyżowanie: 50% homozygot Aa

Ax – allel identyczny ze względu na pochodzenie (IBD), nie na stan; np. w populacji mogą występować tylko dwie formy alleliczne, A i a

A1 a2

P (outbred):

X

A3 A4

F1 (outbred): A1 A3

X

A1 A3

A 1 A4

a2 A3 X

a2 A4

F2 (inbred): A1 A1

A1 A3

A1 A3

A3 A3

a2 a2

a2 A4

A3 a2

Kojarzenia między krewnymi prowadzą do F>0

A3 A4

Rodzice

F

Niespokrewnieni

0

Samozapłodnienie

1/2

Rodzeństwo, rodzice-potomstwo

1/4

Rodzeństwo przyrodnie, dziadkowie-wnuki

1/8

Kuzyni 1wszego stopnia

1/16

Wzrost F w kolejnych pokoleniach kojarzeń bratsiostra 1

2 0,25

3 0,437

4 0,578

5 0,683

… 0,762

20 0,996

Jeżeli allel a szkodliwy/letalny, to będzie występował w populacji w niskiej częstości = prawie wyłącznie w heterozygotach Przy kojarzeniach krewniaczych będzie występował w homozygotach dużo częściej

A1 a2

P:

A1 A3

F1:

F2:

A1 A 1

A1 A3

X

A1 A3

A1 A3

X

A3 A4

A1 A 4

A3 A3

a2 A3 X

a2 a2

a2 A4

a2 A4

A3 a2

A3 A4

 Inbred ma miejsce także wówczas, gdy populacja jest mała (kojarzenia miedzy osobnikami posiadającymi allele IBD dużo częstsze niż w populacjach o wysokiej liczebności)  Inbred może prowadzić do ujawniania w homozygotach szkodliwych, recesywnych mutacji  Depresja inbredowa: spadek wartości cechy (np. rozrodczości, przeżywalnośći) na skutek inbredu

Negatywne skutki inbredu

Przeżywalność młodych osobników w populacjach 44 gatunków ssaków – porównanie osobników zinbredowanych z outbredami (Ralls i Ballou 1983)

Proporcja wymierających linii D. melanogaster wzrasta z F

Większość gatunków ginie z powodów środowiskowych zanim zadziałają czynniki genetyczne? (Lande 1988)

Większość gatunków ginie z powodów środowiskowych zanim zadziałają czynniki genetyczne? (Lande 1988)

Większość gatunków nie ginie z powodów środowiskowych zanim zadziałają czynniki genetyczne (Spielman i in. 2004)

www.freewildlife.co

Prawdopodobieństwo ekstynkcji populacji motyla Melitaea cinxia korelowało negatywnie z heterozygotycznością w 42 loci

Wir wymierania (extinction vortex): czynniki środowiskowe zmniejszają wielkość populacji, powodując wzrost inbredu i ograniczenie zdolności adaptacyjnych, co zwiększa wrażliwość na stres środowiskowy (Gilpin i Soulé 1986)

Genetyka wymierania gatunków Ograniczona zmienność uniemożliwia adaptację

Populacje, w których brak jest odpowiedniej zmienności genetycznej, mogą nie być w stanie przystosować się do drastycznie zmienionego środowiska (w którym brak jest możliwości „oczekiwania” na korzystną mutację)

Bradshaw 1991, Proc. R. Soc. Lond. B 233: 289-306

Genetyka wymierania gatunków Specyficzne mechanizmy

Locus samoniezgodności u roślin

o Populacja Hymenoxys acaulis w Illinois po przejściu przez wąskie gardło populacyjne nie rozmnażała się z powodu braku zmienności w locus samoniezgodności o Populację uratowano przez przeniesienie pyłku z Ohio http://www.desert-tropicals.com

Zmienność genetyczna

Zmienność genetyczna: występowanie w obrębie populacji lub gatunku więcej niż jednego wariantu genetycznego Polimorfizm: występowanie w jednym locus co najmniej dwóch alleli Miary zmienności genetycznej:  Średnia heterozygotyczność (H): średnia proporcja heterozygot/locus, np. w 3 loci proporcja heterozygot=0.3, 0.0 i 0.0, H=0,1  Proporcja polimorficznych loci (P): np. 3 loci polimorficzne na 10 zbadanych, P=0.3  Różnorodność alleli (A): Średnia liczba alleli/locus  Bogactwo alleli (allelic richeness): liczba alleli z poprawką na wielkość próby (metoda rarefakcji, Leberg 2002)

Heterozygotyczność i proporcja polimorficznych loci są pozytywnie skorelowane z liczebnością populacji nowozelandzkiej sosny bagiennej Halacharpus bidwilli (Billington 1992)

Wybór markerów molekularnych Sposób dziedziczenia Po obu rodzicach:  zlokalizowane na autosomach

Po jednym z rodziców:  na chromosomach płci chromosom W u ptaków tylko po samicach chromosom Y u ssaków tylko po samcach

 w organellach mitochondria u zwierząt dziedziczą się po matce, u niektórych roślin po ojcu

chloroplasty zazwyczaj dziedziczą się po matce

Wybór markerów molekularnych Tempo ewolucji W zależności od badanego problemu przydatne będą markery ewoluujące szybko:  identyfikacja osobników  analiza pokrewieństwa w grupach rodzinnych i populacjach  migracje (przepływ genów) między populacjami

W średnim tempie:  historia określonego gatunku  identyfikacja jednostek ochrony gatunkowej (MU, management units)  szybka ocena bioróżnorodności (kody kreskowe DNA)

Wolno:  pokrewieństwa ewolucyjne większych grup  ewolucja genomów i cech

Wybór markerów molekularnych podlegające doborowi vs. neutralne

Loci/markery nieneutralne (np. część podstawień niesynonimowych, sekwencje regulatorowe; lub markery sprzężone)  Utrata zmienności ogranicza potencjał adaptacyjny  Recesywne (lub częściowo recesywne) mutacje są źródłem depresji inbredowej Loci/markery neutralne (np. większość mikorsatelit, sekwencji intronów, cichych substytucje:  dają pojęcie o zmienności ogólnogenomowej  Pozwalają szacować efektywną wielkość populacji, procesy demograficzne itp.

Elektroforeza białek – Allozymy, Izozymy Białka o różnym ładunku będą się przemieszczać w żelu w polu elektrycznym z różną prędkością. Pierwsza technika biochemiczna szeroko stosowana w genetyce populacji: Drosophila pseudoobscura (Lewontin i Hubby 1966); człowiek (Harris 1966)

CC

AB

BB

AA + -

1

2

3

4

Homogenat tkanki lub całego organizmu

Elektroforeza skrobia octan celulozy akrylamid

Specyficzne barwienie enzymy (kilkadziesiąt) hemoglobina transferyny

fot. M. Ratkiewicz

Elektroforeza białek – Allozymy, Izozymy Zalety:  Można zbadać stosunkowo dużo loci (30-50)  Metoda tania  Prosty sposób dziedziczenia  Opracowane narzędzia analizy danych

 Można badać niemal wszystkie taksony

Ograniczenia:  umiarkowany poziom zmienności  mogą być pod wpływem doboru naturalnego (wiele zastosowań wymaga markerów neutralnych)

 trudności porównywania wyników różnych prac  technika nie nadająca się do automatyzacji  wymaga świeżej lub zamrożonej tkanki  technika prawie zawsze destrukcyjna, dlatego trudną ją stosować u gatunków rzadkich i chronionych

Techniki DNA  Dają dostęp do zmienności na najbardziej podstawowym poziomie  Praktycznie nieograniczona liczba markerów  Stosowane dla wszystkich organizmów  Wiele rodzajów, w zależności od potrzeb

 Zazwyczaj niedestrukcyjne  Mogą być też nieinwazyjne  Łatwe do automatyzacji i miniaturyzacji

Typowe etapy analizy DNA pobranie prób

genotypowanie markerów

izolacja DNA

namnożenie (PCR) określonych markerów

Pobieranie prób do analiz genetycznych Metody inwazyjne – Dużo DNA, dobrej jakości destrukcyjne (zabicie organizmu !) niedestrukcyjne (pobranie krwi, fragmentu tkanki, włosów, piór, liści)

Metody nieinwazyjne – Mało DNA, często słabej jakości pobranie tzw. śladów biologicznych pozostawionych przez zwierzę w terenie (pióra, włosy, odchody, wyplówki sów)

Odpowiednie utrwalenie: wysuszenie, zamrożenie, alkohol, bufor, itd.

Sekwencje powtarzalne (VNTR- variable number tandem repeats)  Minisatelity: powtórzenia ciągów 10-50 pz (np. GGGCAGGANG), zlokalizowane głównie w rejonach centromerów i telomerów; także „recombination hotspots”

 Mikrosatelity (STR – short tandem repeats): powtórzenia ciągów 2-5 pz

Minisatelity – zmienność

Minisatelity – zmienność

Ciecie enzymem restrykcyjnym w rejonach flankujących

Profilowanie DNA – genetyczne odciski palców  Całkowity DNA tnie się enzymem restrykcyjnym  Fragmenty rozdziela się w żelu agarozowym – polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP)  DNA przenosi się na membranę i wiąże do niej  Hybrydyzacja ze znakowaną sondą

Profilowanie DNA – genetyczne odciski palców  Gdy jako sondy użyjemy sekwencji minisatelitarnej, tworzącej w genomie wiele powtórzeń, każdy osobnik uzyska indywidualny wzór prążków  Technika idealna dla identyfikacji osobników (unikatowe profile jak odciski palców)  Trudna technicznie  Wymaga dużo, dobrej jakości DNA  Ma znaczenie historyczne – pierwsza technika stosowana do identyfikacji osobników w erze przed-PCR (od 1985) r.)  Reprezentuje szerszą rodzinę technik RFLP opartych na hybrydyzacji Southerna

Mikrosatelity  Wielokrotne powtórzenia 2-5 nukleotydów

 Prawdopodobnie losowo rozmieszczone w genomie  Doskonałe markery w badaniach biologicznych gdyż wykazują zazwyczaj ogromną zmienność – wiele alleli w populacji  Bardzo wysokie tempo mutacji (tysiące razy wyższe niż mutacji punktowych)  Sposób mutacji złożony lecz prawdopodobnie dominuje poślizg polimerazy DNA

powtórzenie TA TCATGTACGTTGATATATATATATATATGTCCTGATGTTA

sekwencje flankujące

Mikrosatelity: genotypowanie zazwyczaj w automatycznym analizatorze DNA PCR ze znakowanymi fluorescencyjnie starterami

locus 2

intensywność sygnału

kapilary

locus 1

osobnik 1

osobnik 2

osobnik 3

osobnik 4

długość fragmentu

Analiza polimorfizmu długości namnożonych fragmentów DNA - AFLP

+ 1.

Cięcie enzymami restrykcyjnymi i ligacja adapterów

setki tysięcy fragmentów

AFLP  uzyskany obraz to setki prążków  rejestrowanie obecności lub braku prążka o danej wielkości (system 1, 0; dwa allele)  markery dominujące – nie potrafimy rozróżnić heterozygot od homozygot

Sekwencjonowanie DNA metodą Sangera

Sekwencjonowanie nowej generacji  Różnorodne technologie umożliwiające sekwencjonowanie setek milionów lub miliardów par zasad za jednym zamachem – np. całe genomy

 Można sekwencjonować złożoną mieszaninę DNA  Nie wymaga indywidualnego przygotowania matrycy  Zazwyczaj stosunkowo krótkie sekwencje  Obróbka i składanie sekwencji wymagają dedykowanych programów i dużej mocy obliczeniowej  W praktyce od 2005 roku, cały czas testowane nowe rozwiązania

Illumina Amplifikacja „mostkowa” na szkiełku

www.illumina.com

Metzker 2010

Setki milionów skupień, każde >103 identycznych (pochodzących z jednej cząsteczki) cząsteczek DNA

Illumina – sekwencjonowanie z odwracalnymi terminatorami Cztery dNTP w każdym cyklu, działają jako terminator, każdy wyznakowany innym barwnikiem– elongacja o 1 pz Odpłukanie niewykorzystanych terminatorów i obrazowanie Odcięcie terminatora wraz z barwnikiem – łańcuch gotowy na kolejnego kroku wydłużania

Metzker 2010

Polimorfizm Pojedynczych Nukleotydów SNP – ang. Single Nucleotide Polymorphism

 W genomie człowieka około 10-30 mln SNPs (srednio co 1000 pz) o częstości > 1%  Mogą występować w rejonach kodujących i nie kodujących  Wiele z nich nie ma wpływu na zdrowie i funkcjonowanie organizmów, ale istnieją SNP, które decydują o wystąpieniu pewnych chorób czy cech  wiele metod badawczych w tym mikromacierze pozwalające na jednorazowe genotypowanie nawet milionów SNP u tysięcy osobników

SNP – metody niskoprzepustowe Mikrosekwencjonowanie (np. SNaPshot) Wszystkie dodawane nukleotydy to terminatory Wydłużanie tylko o 1 zasadę Elektroforeza znakowanego produktu mikrosekwencjonowania

Multipleks

Genotyp homozygota G

SNP – techniki wysokoprzepustowe Dostępne komercyjnie mikromacierze (np. Affymetrix, Illumina) pozwalają na milionów SNP u organizmów modelowych i człowieka

Użyteczność markerów molekularnych allozymy

AFLP

mikrosatelity

SNP

sekwencje genów jądrowych

sekwencje cpDNA i mtDNA

+

++

+++

+

-

+

Zmienność genetyczna

++

+

+++

++

+

-

Zróżnicowanie genetyczne

++

+

+++

+++

++

++

Przepływ genów (migracje)

+

+

+++

++

+

+

Filogeografia

+

+

+

++

+++

+++

Hybrydyzacja

++

++

++

+++

+++

+++

Identyfikacja osobników

Wybór markerów molekularnych Możliwości techniczne, koszt, moda RAPD

AFLP

sekwencjonowanie RFLP

Popularność

SNP allozymy

minisatelity mikrosatelity

Schlotterer 2004

Wybór markerów molekularnych Możliwości techniczne, koszt, moda

Seeb et al. 2011

a) Locus

a

b

c

d

e

f

g

Śr.

A

6

5

5

6

3

6

6

5,75

H

0,647

0,712

0,718

0,799

0,615

0,737

0,780

0,705

b) takson

H

Ssaki

0,054

Ptaki

0,054

Gady

0,090

Płazy

0,094

Ryby

0,054

Owady

0,113

Zmienność genetyczna różni się pomiędzy typami markerów a) Zmienność loci mikrosatelitarnych u szympansów z Gombe (za Constable i in. 2001) b) Zmienność allozymów w różnych grupach zwierząt (za Ward i in. 1992)

Gatunki zagrożone wyginięciem charakteryzują się niską zmiennością genetyczną

 Żubr – współczesna populacja wywodzi się od 7 osobników  Tylko 4 allele MHC-DRB; bydło>100 alleli (Radwan et al. 2009 Mol. Ecol.16: 531-540)  Ograniczona zmienność także w innych loci (Pertoldi et al. 2010 Conserv. Genet. 11:627–634

Zmienność genetyczna a żywotność populacji

 Ewolucja na drodze doboru naturalnego polega na zróżnicowanej rozrodczości i/lub przeżywaniu osobników różniących się cechami dziedzicznymi – niska zmienność ją uniemożliwia  Niska zmienność genetyczna jest cechą charakterystyczną małych populacji, zagrożonych inbredem

Zmienność genetyczna w pojedynczym locus

Genotypy allozymów ovoalbuminy miekkopióra (Eider duck) Somateria mollissima Genotyp FF

FS

SS

razem

liczba

37

24

6

67

częstość

37/67=0,552

24/67=0,358

6/67=0,090

1

p – częstość allelu F; q – częstość allelu S p = (2*FF + FS)/(2*suma genotypów) p = (2*37 + 24)/(2*67) = 0,73

q = 1 – p = 0.27

Panmiksja: jednakowe prawdopodobieństwo kojarzenie się z każdym osobnikiem płci przeciwnej Prawo Hardy’ego i Weinberga: w dużej populacji panmiktycznej, w której nie działa dobór, nie występują mutacje oraz migracje, genotypy (homo- i heterozygoty) będą występować w kolejnych generacjach w tych samych proporcjach, określonych częstością występowania alleli w populacjach Jeżeli: P - proporcja A q – proporcja a to genotypy AA, Aa, aa będą występowały z częstością odpowiednio: p2, 2pq, q2

Prawo Hardy’ego-Weinberga haploidalne gamety z allelami A1 (częstość p) A2 (częstość q)

A2A2

A2A1

łączą się losowo tworząc diploidalne osobniki o genotypach: A1A1 (częstość p2)

A1A2(częstość 2pq) A2A2 (częstość q2)

A1A2

A1A1

Częstość genotypów jako funkcja częstości alleli

Genotypy allozymów ovoalbuminy miekkopióra (Eider duck) Somateria mollissima Genotyp FF

FS

SS

razem

liczba

37

24

6

67

częstość

37/67=0,552

24/67=0,358

6/67=0,090

1

Częstość P2 oczekiwana 0,533

2pq 0,394

q2 0,073

1

Liczebności oczekiwane

26,4

4,9

67

35,7

p = 0.73, q = 0.27 Np. oczekiwana liczebność FF = 67 * 0.533 = 35.7

Genotypy allozymów ovoalbuminy miekkopióra (Eider duck) Somateria mollissima Genotyp FF

FS

SS

razem

liczba

37

24

6

67

częstość

37/67=0,552

24/67=0,358

6/67=0,090

1

Częstość P2 oczekiwana 0,533

2pq 0,394

q2 0,073

1

Liczebności oczekiwane

26,4

4,9

67

35,7

Liczebności obserwowane nie różnią się istotnie od oczekiwanych (χ2=0,51, P=0.47)

Możliwe powody odchyleń od równowagi H-W  Nielosowe kojarzenia Wzrost proporcji osobników homozygotycznych na skutek samozapłodnienia

Aa AA AA

2Aa AA 2Aa

aa aa

aa

 Efekt Wahlunda

A1A1  Dobór naturalny  Migracje

A2A2

Efekt Wahlunda Mamy dwie izolowane populacje w równowadze H-W różniące się częstościami alleli, ale myślimy że pobieramy próbę z jednej niepodzielonej populacji populacja I p = 0.9 q = 0.1 Proporcja heterozygot 2pq = 2 x 0.9 x 0.1 = 0.18

populacja II p = 0.1 q = 0.9 Proporcja heterozygot 2pq = 2 x 0.1 x 0.9 = 0.18

Nasza próba po = 0.5 qo = 0.5 Oczekiwana proporcja heterozygot 2poqo = 2 x 0.5 x 0.5 = 0.5 Obserwowana proporcja heterozygot 0.18

Pozorny niedobór heterozygot wynika z podziału populacji

Przewaga heterozygot odchyla proporcje genotypów od równowagi H-W po zadziałaniu doboru A 1A 1

A 1A 2

A 2A 2

Częstości przy urodzeniu

p2

2pq

q2

Dostosowanie

1-s

1

1-t

p2(1-s)

2pq

q2(1-t)

Częstości po doborze

Równowaga H-W dla loci sprzężonych z płcią samice

XAXA p2

XAXa 2pq

samce

XaXa q2

XAY p

XaY q

p=0.8, q=0.2 bez uwzględnienia sprzężenia z płcią: He=2pq=0.32 Z uwzględnieniem (równej) proporcji płci: He=0.16

Heterozygotyczność oczekiwana He (mniej wrażliwa na wlk. próby niż Hobs) H-W: p2 + 2pq + q2 = 1 Oczekiwana proporcja heterozygot: 2pq = 1 – p2 – q2 Jeżeli w locus mamy 3 allele o częstościach p, q i r, to: heterozygoty p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 Ogólnie:

He = 1 -

𝒏 2 gdzie n-liczba alleli 𝒊=𝟏 pi

Bogactwo alleli (allelic richeness): liczba alleli z poprawką na wielkość próby (metoda rarefakcji, Leberg 2002) Efektywna liczba alleli ne: liczba alleli dająca heterozygotyczność oczekiwaną przy równych proporcjach alleli (bo wówczas zmienność genetyczna najwyższa, miara mniej wrażliwa na wielkość próby i częstości rzadkich alleli) 𝟏

ne = ∑pi2

np. częstości alleli p1 – p5 odpowiednio: 0.92, 0.02, 0.02, 0.02 i 0.02, ne = 1/(0.922 + 0.022 + 0.022 + 0.022 + 0.022)=1,17 ale p1=p2 … = p5 = 0.2, ne=5

Charakterystyka zmienności na poziomie sekwencji DNA  zmienność haplotypowa h = 1-∑fi2 gdzie fi – częstość haplotypu i haplotyp – ciąg SNP ( ~ sekwencja DNA)/alleli na tym samym chromosomie  zmienność nukleotydowa gdzie

π = ∑πij nc

πi,j – proporcja różnych nukleotydów między sekwencjami i,j nc=(n-1)n/2 – liczba porównań

Zmienność genetyczna Cechy poligenowe (ilościowe)

 Wiele cech ma charakter ilościowy a nie jakościowy

 Cechy ilościowe mają zwykle rozkład normalny, co sugeruje poligenowe dziedziczenie  Genetyka ilościowa zakłada, że na cechę wpływają efekty środowiskowe i bardzo wiele genów o małych efektach

VP = VG +VE VP- zmienność fenotypowa VG- zmienność genetyczna VE- zmienność środowiskowa H2 = VG/VP H2 - odziedziczalność w szerokim sensie VG = VA + VD + VI VA - zmienność genetyczna addytywna (związana ze średnimi efektami alleli na tle innych alleli w danym locus) VD - zmienność genetyczna dominacyjna VI - zmienność epistatyczna (wynikająca z interakcji miedzy loci) h2=VA/VP – odziedziczalność w wąskim sensie (podlegająca doborowi)

A – frekw. p, a – frekw. q; załóżmy p=q=0.5 częstość genotypu

wartość cechy (np. śr. liczba pasożytów)

AA –

0.25

2

Aa –

0.5

8

aa –

0.25

10 Średnia wartość osobnika dziedziczącego A

Średnia w populacji

Addytywny efekt A: (0.25*2*2 + 0.5*8) - (0.25*2 + 0.5*8 + 0.25*10) = 5-7 = -2 Addytywny efekt a: (0.5*8 + 0.25*2*10) - (0.25*2 + 0.5*8 + 0.25*10) = 9-7 = 2 Efekt addytywy zależy tez od częstości genotypów!

Metody szacowania odziedziczalności

h2= r , gdzie r -współczynnik regresji potomstwo/rodzice (ale pod warunkiem eliminacji efektów wspólnego środowiska; często w tym celu stosuje się korelacją potomstwo/ojciec, wówczas h2= 2r) Zalezność między liczbą jaj składanych prze matki i córki śnieżycy (Chen caerulescens) C=2.54+0,31M h2=2*0,31

Metody szacowania odziedziczalności

h2= r , gdzie r -współczynnik regresji potomstwo/rodzice (ale pod warunkiem eliminacji efektów wspólnego środowiska; często w tym celu stosuje się korelacją potomstwo/ojciec, wówczas h2= 2r) Zalezność między liczbą jaj składanych prze matki i córki śnieżycy (Chen caerulescens) C=2.54+0,31M h2=2*0,31

Górny pułap – efekty matczyne i wspólne środowisko gniazda!

Metody szacowania odziedziczalności  Regresja wartości cech fenotypowych na rodowód (Animal Model): rodowody można odtworzyć w populacjach naturalnych na podstawie markerów molekularnych!  Z odpowiedzi na selekcję: h2=R/S, gdzie R -odpowiedź na selekcję (zmiana wartości cechy w odpowiedzi na selekcję), S – różnica selekcyjna (różnica między średnią populacji a średnią osobników selekcjonowanych)

Odziedziczalność determinuje możliwości adaptacyjne populacji R = Sh2

Odpowiedż na dobór na wysokość dzioba u darwinki czarnej Geospiza fortis dobrze zgadzała się z przewidywaniami (za Roff 1997 i Grant i Grant 1989)

Odziedziczalność cech historii życiowych jest niższa niż cech morfologicznych (Stirling i in. 2002)

Odziedziczalność cech ilościowych jest często ograniczona u gatunków zagrożonych, mają więc zmniejszony potencjał ewolucyjny Gatunek zagrożony

Cecha

h2

Gatunek niezagrożony

Cecha

h2

Saguinus oedipus

Masa ciała

0.35

Ssaki (średnio)

Masa ciała

0.5

Partula taeniata

Szer. muszli

0.40

Arianta arbustorum

Szer. muszli

0.70

Partula saturialis

Szer. muszli

0.52

Ślimaki:

Zmienność dominacyjna VD

VA= 2pq[a+d(q-p)]2 VD = (2pqd)2 Historie życiowe

Fizjologia

Morfologia

Behawior

VD/VG

54

27

17

24

VD/VP

31

21

13

4

Genetyczne skutki małej liczebności populacji  Dryf genetyczny  Inbreeding

Dryf genetyczny – zmiany częstości alleli z powodów losowych, mogące prowadzić do zaniku zmienności genetycznej

Allel A3 został utracony z powodów losowych

Z populacji o częstościach alleli A1 i A2 równych p=0.6 i q=0.4 2 losowe osobniki dają początek następnej generacji A1 A1 A 1

P=p4=0.196

A1 A1 A1 A 1 A2

p=0.6 q=0.4

P=4p3q=0.3456

A1 A2 A2 A1

Osobniki te zostaną utworzone z 4 gamet: rozwinięcie dwumianu (p+q)4

A2

A1 A2

A2

A A2 2 A2 A

P=6p2q2=0.3456

P=4pq3= 0.1563 P=q4=0.0256

2

Dla dowolnej liczby N osobników rozkład będzie dany: 2𝑁

𝑝+𝑞

2𝑁

= 𝑟=0

Gdzie r – liczba alleli A1,

2𝑁 𝑟 2𝑁−𝑟 𝑝 𝑞 𝑟

2𝑁 𝑟

=2N!/[r!(N-r)!]

Prawdopodobieństwo wylosowania r alleli A1 i 2N-r alleli A2:

2𝑁 𝑟 2𝑁−𝑟 𝑝 𝑞 𝑟

Rozkłady częstości allelu A1 w populacjach składających się z 10 i 100 osobników

Jeżeli populacja utrzymuje mała liczebność, prawdopodobieństwo utraty alleli rośnie 11111 11111

P=0.5100.50=0.001

p=q=0.5 11111 22222

11111 11222

P=0.7

11111 11111

P=5!0.550.55/5!5!=0.246

P=0.17

P=0.028

Dryf genetyczny w populacjach trojszyka (Tribolium castaneum); wszystkie 24 populacje zaczynały z częstością allelu determinującego ubarwienie równą 0.6 (Falconer and Mackay 1996)

Wąskie gardło populacyjne (population bottleneck): okres drastycznego spadku liczebności populacji Gatunek

liczebność w okresie wąskiego gardła

Oryks arabski

10

Żubr europejski

7

Nosorożec indyjski

14

Koń Przewalskiego

12

Tygrys syberyjski

25

Oczekiwana utrata zmienności w czasie 1 generacji wąskiego gardła N=2 gamety

częstość

He (2pq)

częstość*He

4A1

p4

2*1*0=0

0

3A1 : 1A2

4p3q

2*¾*¼=0.375

1.5p3q

2A2 : 2A2

6p2q2

2*½*½=0.5

3p2q2

1A1 : 3A2

4pq3

2*¼*¾=0.375

1.5pq3

4A2

q4

2*0*1=0

0

Suma:

1 H1/H0=1.5pq/2pq=0.75 = 1 – 2𝑁

1.5pq(p2+2pq+q2) =1.5pq

Efektywna wielkość populacji Ne: wielkość teoretycznej populacji, która traci heterozygotyczność w takim samym tempie, jak populacja obserwowana Ne zwykle mniejsza niż N, np. z powodu  Fluktuacji liczebności populacji ) Ne ~

𝑡

(1/Nt)

 Nierównej proporcji płci 4NfNm Ne ~ N + N f m  Nierówny sukces rozrodczy Ne ~ V

8N , gdzie km + Vkf + 4

Vk – wariancja sukcesu rozrodczego (przy losowym kojarzeniu = 2)

Spadek heterozygotyczności i Ne 1

H1/H0 = (1 – 2N ) e 1

H1 = (1 – 2N )H0 e 1

1

1

1

H2 = (1 – 2N )H1 = (1 – 2N ) (1 – 2N )H0 = (1 – 2N )2 H0 e e e e 1

Ht = (1 – 2N )t H0 e 1

Ht/H0 = (1 – 2N )t e

Ne =

1 2(

𝑡

Ht/H0 −1)

 Populacja wombata australijskiego Lasiorhinus krefftii w ciągu 120 lat (12 pokoleń) spadła z ok. 1000 osobników do 25 w roku 1981 (obecnie ok. 70 osobników)  Ht/H0 = 0.41  Ne = 6.9

Inbred w małych populacjach

Inbred w małych populacjach

Inbred w małych, losowo kojarzących się populacjach Uzyskanie homozygoty IBD w populacji o skończonej wielkości może nastąpić w wyniku dwóch procesów:

 Nowy inbred: prawdopodobieństwo wylosowania dwóch alleli IBD = 1/2N  Wylosowanie alleli IBD z powodu inbredu w poprzednich generacjach: prawdopodobieństwo wylosowanie dwóch różnych alleli = 1- 1/2N; proporcja Ft-1 będzie IBD z powodu inbedu w poprzedniej generacji t-1

 Inbred w generacji t: 1 1 Ft = + (1 – )F 2𝑁 2𝑁 t-1

 Przyrost inbredu/generację ΔF =

1 2𝑁

 Całkowity inbred po t generacjach: 1 1 1 1- Ft = 1 - (1 – )F = (1 – )(1- Ft-1) 2𝑁 2𝑁 t-1 2𝑁

1 – Ft = (1 –

1 t ) (1 –F0) 2𝑁

Przyjmując F0 = 0 Ft = 1 – (1 –

1 t ) 2𝑁

Przyrost inbredu w zależności od wielkości populacji

Spadek heterozygotyczności na skutek inbredu

Populacja

F

Genotyp +/+

+/m

m/m

Kojarzenia losowe

0

p2

2pq

q2

Całkowity inbred

1

p

0

q

Częściowy inbred

F

(1-F)p2 + Fp

(1-F)2pq + F*0

(1-F)q2 + Fq

Spadek heterozygotyczności na skutek inbredu

Populacja

F

Genotyp +/+

+/m

m/m

Kojarzenia losowe

0

p2

2pq

q2

Całkowity inbred

1

p

0

q

Częściowy inbred

F

(1-F)p2 + Fp

(1-F)2pq + F*0

(1-F)q2 + Fq

Ho 2𝑝𝑞(1−𝐹) He = 2𝑝𝑞 = 1-F ,

stąd F =1 -

gdzie H0 –obserwowana, He -oczekiwana

Ho He

Obliczanie współczynnika inbredu z rodowodu A1A2

A3 A4 ½

½

½ ½ X

Pr(X=A1A1 lub A2A2) = (0.5)4(0.5)4 + (0.5)4(0.5)4 =0.0078

FX=Pr(X=A1A1 lub A2A2 lub A3A3 lub A4A4) =1/16+1/16+1/16+1/16=1/4

Utrzymywanie się zmienności genetycznej

Podstawowym źródłem zmienności genetycznej są mutacje: • Korzystne (rzadkie) • Neutralne • Szkodliwe (częste)

Utrzymywanie się zmienności genetycznej Mutacje neutralne

 Częstość nowej mutacji = 1/2Ne  Prawdopodobieństwo utrwalenia nowej mutacji = 1/2Ne  Liczba mutacji/pokolenie 2Neu, gdzie u – tempo mutacji  Prawdopodobieństwo zastąpienia jednego allelu przez drugi (tempo ewolucji molekularnej) = 2Neu * 1/2Ne = u  He =

4Neu 4Neu + 1

 ne = 4Neu + 1 Ne=100, u = 10-6: He = 0.001

Ne=10 000 000, u = 10-6: He = 0.99

He jest zwykle niższa niż przewiduje model neturalny; niektóre mutacje korzystne, wiele innych szkodliwych

Utrzymywanie się zmienności genetycznej Mutacje szkodliwe: równowaga miedzy mutacjami a doborem

Model doboru naturalnego przeciw homozygotom recesywnym s – współczynnik selekcji, np. s=0.05 – dostosowanie aa o 5% niższe niż AA i Aa Genotyp: AA Częstości początkowe p2 Współczynnik selekcji 0 Dostosowanie: 1 Częstości po doborze: p2

Aa 2pq 0 1 2pq

aa q2 s 1-s q2(1-s)

Razem 1 1-sq2

q1=(q2(1-s)+pq))/(1-sq2)= (q2(1-s)+(1-q)q)/(1-sq2)= (q2-q2s+q-q2)/(1-sq2)=(q-sq2)/(1-sq2)

Zmiana częstości na skutek doboru przeciw recesywnym mutacjom: q1=(q-sq2)/(1-sq2), Δq=q1-q= (q-sq2-q+sq3)/(1-sq2)= sq2(1-q)/(1-sq2) Zmiana częstości na skutek mutacji (u - częstość mutacji/locus/pokolenie) p1 = p 0 – p0 u Δp = p0 - p1 = p0 – p0 + p0u = p0u = (1-q0)u Po uwzględnieniu mutacji i selekcji Δq = (1-q)u - sq2(1-q)/(1-sq2)

Równowaga między presją mutacji a doborem Δq = 0 gdy (1-q)u = sq2(1-q)/(1-sq2) qe=√(u/(1+u)s ~ √(u/s)

np. u = 10-6, s=0.05, qe= 0,0044 W genomie człowieka średnio kilkaset szkodliwych mutacji (np.. Chun i Fei 2009)

 Kimura wykazał, że rozkład lekko szkodliwych mutacji jest podobny do rozkładu alleli neturalnych (s=0) do momentu, gdy s0.2

 Zmniejszenie N (s