Генетическое разнообразие — это общее количество генетических характеристик в генетическом составе вида. Оно широко варьируется от количества видов до различий внутри видов и может быть связано с продолжительностью выживания вида. [1] Его отличают от генетической изменчивости , которая описывает тенденцию генетических характеристик изменяться.
Генетическое разнообразие служит для популяций способом адаптации к изменяющейся окружающей среде. При большем разнообразии более вероятно, что некоторые особи в популяции будут обладать вариациями аллелей , подходящими для окружающей среды. Эти особи с большей вероятностью выживут и произведут потомство, несущее этот аллель. Популяция будет продолжаться еще несколько поколений благодаря успеху этих людей. [2]
Академическая область популяционной генетики включает несколько гипотез и теорий относительно генетического разнообразия. Нейтральная теория эволюции предполагает, что разнообразие является результатом накопления нейтральных замен. Диверсифицирующий отбор — это гипотеза о том, что две субпопуляции вида живут в разных средах и отбирают разные аллели в определенном локусе. Это может произойти, например, если вид имеет большой диапазон относительно мобильности особей внутри него. Частотно-зависимый отбор — это гипотеза о том, что по мере того, как аллели становятся более распространенными, они становятся более уязвимыми. Это происходит при взаимодействии хозяин-патоген , когда высокая частота защитного аллеля среди хозяина означает, что более вероятно распространение патогена , если он сможет преодолеть этот аллель .
Исследование, проведенное Национальным научным фондом в 2007 году, показало, что генетическое разнообразие (внутривидовое разнообразие) и биоразнообразие зависят друг от друга, то есть разнообразие внутри вида необходимо для поддержания разнообразия между видами, и наоборот. По словам ведущего исследователя исследования, доктора Ричарда Ланкау, «если какой-либо один вид будет удален из системы, цикл может нарушиться, и в сообществе станет доминировать один вид». [3] Генотипическое и фенотипическое разнообразие обнаружено у всех видов на уровне белка , ДНК и организма ; в природе это разнообразие неслучайно, сильно структурировано и коррелирует с изменениями окружающей среды и стрессом . [4]
Взаимозависимость между генетическим и видовым разнообразием весьма деликатна. Изменения видового разнообразия приводят к изменениям в окружающей среде, что приводит к адаптации оставшихся видов. Изменения генетического разнообразия, например, утрата видов, приводят к утрате биологического разнообразия . [2] Утрата генетического разнообразия в популяциях домашних животных также изучалась и объяснялась расширением рынков и экономической глобализацией . [5] [6]
Нейтральное генетическое разнообразие состоит из генов , которые не повышают приспособленность и не отвечают за адаптивность. [7] Естественный отбор не действует на эти нейтральные гены. [7] Адаптивное генетическое разнообразие состоит из генов, которые повышают приспособленность и отвечают за адаптивность к изменениям в окружающей среде. [7] Адаптивные гены отвечают за экологические, морфологические и поведенческие особенности. [8] Естественный отбор действует на адаптивные гены, что позволяет организмам развиваться. [7] Скорость эволюции адаптивных генов выше, чем нейтральных генов, из-за влияния отбора. [8] Однако идентифицировать аллели адаптивных генов было сложно, и поэтому адаптивное генетическое разнообразие чаще всего измеряется косвенно. [7] Например, наследственность можно измерить как , а адаптивную дифференциацию популяции можно измерить как . [7] Возможно, удастся идентифицировать адаптивные гены посредством полногеномных ассоциативных исследований путем анализа геномных данных на популяционном уровне. [9]
Выявление адаптивного генетического разнообразия важно для сохранения , поскольку адаптивный потенциал вида может определять, выживет ли он или вымрет , особенно при изменении климата . [7] [10] Это усугубляется отсутствием понимания того, коррелирует ли низкое нейтральное генетическое разнообразие с высоким генетическим дрейфом и высокой мутационной нагрузкой . [10] В обзоре текущих исследований Тейшейра и Хубер (2021) обнаружили, что некоторые виды, например, представители рода Arabidopsis , по-видимому, обладают высоким адаптивным потенциалом, несмотря на то, что в целом страдают от низкого генетического разнообразия из-за серьезных узких мест . [10] Таким образом, виды с низким нейтральным генетическим разнообразием могут обладать высоким адаптивным генетическим разнообразием, но поскольку трудно идентифицировать адаптивные гены, измерение общего генетического разнообразия важно для планирования усилий по сохранению, а виды, которые пережили быстрое снижение генетического разнообразия, разнообразие может оказаться весьма уязвимым к исчезновению. [10] [9]
Вариации в генофонде популяций позволяют естественному отбору воздействовать на черты, которые позволяют популяции адаптироваться к изменяющейся окружающей среде. Отбор в пользу или против признака может происходить при изменении окружающей среды, что приводит к увеличению генетического разнообразия (если отбирается и поддерживается новая мутация ) или к уменьшению генетического разнообразия (если отбирается невыгодный аллель). [11] Следовательно, генетическое разнообразие играет важную роль в выживании и адаптивности вида. [12] Способность популяции адаптироваться к изменяющейся окружающей среде будет зависеть от наличия необходимого генетического разнообразия. [13] [14] Чем больше генетического разнообразия имеет популяция, тем больше вероятность того, что популяция сможет адаптироваться и выжить. . И наоборот, уязвимость населения к изменениям, таким как изменение климата или новые заболевания , будет увеличиваться по мере сокращения генетического разнообразия. [15] Например, неспособность коал адаптироваться к борьбе с хламидиями и ретровирусом коал (KoRV) связана с низким генетическим разнообразием коал. [16] Низкое генетическое разнообразие также заставляет генетиков беспокоиться о способности коал адаптироваться к изменению климата и антропогенным изменениям окружающей среды в будущем. [16]
Большие популяции с большей вероятностью сохранят генетический материал и, следовательно, обычно имеют более высокое генетическое разнообразие. [11] Небольшие популяции с большей вероятностью со временем потеряют разнообразие по случайной причине, что является примером генетического дрейфа . Когда аллель (вариант гена) фиксируется, другая аллель в том же локусе теряется, что приводит к потере генетического разнообразия. [17] В небольших популяциях более вероятно возникновение инбридинга или спаривания между особями со схожим генетическим составом, что приводит к сохранению более общих аллелей до точки фиксации и, таким образом, к уменьшению генетического разнообразия. [18] Поэтому обеспокоенность по поводу генетического разнообразия особенно важна для крупных млекопитающих из-за их небольшого размера популяции и высокого уровня антропогенного воздействия на популяцию. [16]
Генетическое узкое место может возникнуть, когда популяция переживает период низкой численности особей, что приводит к быстрому уменьшению генетического разнообразия. Даже при увеличении размера популяции генетическое разнообразие часто продолжает оставаться низким, если весь вид начинался с небольшой популяции, поскольку полезные мутации (см. ниже) редки, а генофонд ограничен небольшой стартовой популяцией. [19] Это важный момент в области генетики сохранения , когда мы работаем над спасенной популяцией или видом, которые являются генетически здоровыми.
Случайные мутации постоянно порождают генетические вариации . [11] Мутация увеличит генетическое разнообразие в краткосрочной перспективе, поскольку в генофонд вводится новый ген. Однако устойчивость этого гена зависит от дрейфа и отбора (см. выше). Большинство новых мутаций оказывают либо нейтральное, либо отрицательное влияние на приспособленность, тогда как некоторые оказывают положительное влияние. [11] Полезная мутация с большей вероятностью сохранится и, таким образом, окажет долгосрочное положительное влияние на генетическое разнообразие. Частота мутаций различается в зависимости от генома, и в более крупных популяциях частота мутаций выше. [11] В небольших популяциях мутация с меньшей вероятностью сохранится, поскольку она с большей вероятностью будет устранена путем дрейфа. [11]
Поток генов , часто путем миграции, представляет собой перемещение генетического материала (например, с помощью пыльцы на ветру или миграции птиц). Поток генов может ввести в популяцию новые аллели. Эти аллели могут быть интегрированы в популяцию, увеличивая тем самым генетическое разнообразие. [20]
Например, у африканских комаров Anopheles gambiae возникла мутация, устойчивая к инсектицидам . Миграция некоторых комаров A. gambiae в популяцию комаров Anopheles coluzziin привела к передаче полезного гена устойчивости от одного вида к другому. Генетическое разнообразие было увеличено у A. gambiae за счет мутаций, а у A. coluzziin за счет потока генов. [21]
Когда люди впервые начали заниматься сельским хозяйством, они использовали селекцию , чтобы передать желательные черты сельскохозяйственных культур, исключив при этом нежелательные. Селекция приводит к монокультурам : целым фермам почти генетически идентичных растений. Незначительное или полное отсутствие генетического разнообразия делает сельскохозяйственные культуры чрезвычайно восприимчивыми к широко распространенным болезням; Бактерии постоянно морфируются и изменяются, и когда болезнетворная бактерия изменяется, атакуя определенную генетическую вариацию, она может легко уничтожить огромное количество видов. Если генетическая вариация, которую бактерия лучше всего атакует, окажется той, которую люди выборочно вывели для использования в целях сбора урожая, весь урожай будет уничтожен. [22]
Великий голод девятнадцатого века в Ирландии был частично вызван отсутствием биоразнообразия. Поскольку новые растения картофеля возникают не в результате размножения, а из частей материнского растения, генетическое разнообразие не развивается, а весь урожай по существу представляет собой клон одного картофеля, он особенно подвержен эпидемии. В 1840-х годах большая часть населения Ирландии питалась картофелем. Они посадили именно «комковатый» сорт картофеля, который был восприимчив к вызывающему гниль оомицету Phytophthora infestans . [23] Гриб уничтожил подавляющее большинство урожая картофеля и оставил один миллион человек умирать от голода.
Генетическое разнообразие в сельском хозяйстве касается не только болезней, но и травоядных животных . Аналогично приведенному выше примеру, монокультурное сельское хозяйство отбирает признаки, одинаковые по всему участку. Если этот генотип восприимчив к определенным травоядным животным, это может привести к потере значительной части урожая. [24] [25] Один из способов решения этой проблемы фермерами является совмещение культур . Высаживая ряды несвязанных или генетически различных культур в качестве барьера между травоядными животными и их предпочтительным растением-хозяином, фермер эффективно снижает способность травоядных животных распространяться по всему участку. [26] [27] [28]
Генетическое разнообразие видов домашнего скота позволяет вести животноводство в самых разных условиях и с разными целями. Оно обеспечивает сырье для программ селекционного разведения и позволяет поголовью скота адаптироваться к изменению условий окружающей среды. [29]
Биоразнообразие домашнего скота может быть утрачено в результате исчезновения пород и других форм генетической эрозии . По состоянию на июнь 2014 года из 8774 пород, зарегистрированных в Информационной системе по разнообразию домашних животных ( DAD-IS ), управляемой Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций ( ФАО ), 17 процентов были классифицированы как находящиеся под угрозой исчезновения, а 7 процентов уже вымерли. [29] В настоящее время существует Глобальный план действий в области генетических ресурсов животных, разработанный под эгидой Комиссии по генетическим ресурсам для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства в 2007 году, который обеспечивает основу и руководящие принципы для управления генетическими ресурсами животных.
Осознание важности сохранения генетических ресурсов животных со временем возросло. ФАО опубликовала два отчета о состоянии мировых генетических ресурсов животных для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства , в которых представлен подробный анализ глобального разнообразия домашнего скота и способности управлять ими и сохранять их.
При разработке вакцинации необходимо учитывать высокое генетическое разнообразие вирусов. Высокое генетическое разнообразие затрудняет разработку таргетных вакцин и позволяет вирусам быстро эволюционировать, чтобы противостоять летальности от вакцинации. Например, на вакцинацию от малярии влияет высокий уровень генетического разнообразия белковых антигенов. [30] Кроме того, генетическое разнообразие ВИЧ-1 ограничивает использование доступных в настоящее время тестов на вирусную нагрузку и устойчивость. [31]
Популяции коронавируса обладают значительным эволюционным разнообразием из-за мутаций и гомологичной рекомбинации . [32] Например, секвенирование 86 образцов коронавируса SARS-CoV-2, полученных от инфицированных пациентов, выявило 93 мутации, указывающие на наличие значительного генетического разнообразия. [33] Репликация РНК-генома коронавируса катализируется РНК-зависимой РНК-полимеразой . Во время репликации эта полимераза может подвергаться переключению матрицы - форме гомологичной рекомбинации. [34] Этот процесс, который также генерирует генетическое разнообразие, по-видимому, является адаптацией для борьбы с повреждением генома РНК. [35]
В мире природы есть несколько способов сохранить или увеличить генетическое разнообразие. Среди океанического планктона вирусы способствуют процессу генетического сдвига. Океанские вирусы, поражающие планктон, несут в себе помимо своих гены и других организмов. Когда вирус, содержащий гены одной клетки, заражает другую, генетический состав последней меняется. Это постоянное изменение генетического состава помогает поддерживать здоровую популяцию планктона, несмотря на сложные и непредсказуемые изменения окружающей среды. [36]
Гепарды – вид, находящийся под угрозой исчезновения . Низкое генетическое разнообразие и, как следствие, плохое качество спермы затрудняют размножение и выживание гепардов. Более того, только около 5% гепардов доживают до взрослого возраста [37] . Однако недавно было обнаружено, что самки гепардов могут спариваться более чем с одним самцом на помет детенышей. У них происходит индуцированная овуляция, а это означает, что новая яйцеклетка производится каждый раз, когда самка спаривается. Спариваясь с несколькими самцами, мать увеличивает генетическое разнообразие в одном помете детенышей. [38]
Попытки повысить жизнеспособность вида за счет увеличения генетического разнообразия называются генетическим спасением. Например, восемь пантер из Техаса были завезены в популяцию пантер Флориды , которая сокращалась и страдала от инбридинговой депрессии. Таким образом, генетическая изменчивость увеличилась, что привело к значительному увеличению роста популяции флоридской пантеры. [39] Создание или поддержание высокого генетического разнообразия является важным фактором в усилиях по спасению видов, чтобы обеспечить долголетие популяции.
Генетическое разнообразие популяции можно оценить с помощью некоторых простых показателей.
Кроме того, программное обеспечение стохастического моделирования обычно используется для прогнозирования будущего популяции с учетом таких показателей, как частота аллелей и размер популяции. [41]
Генетическое разнообразие также можно измерить. Различные зарегистрированные способы измерения генетического разнообразия включают: [42]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )Скорость эволюционных изменений (R) определяется прежде всего количественной генетической изменчивостью.