stringtranslate.com

Генетический изолят

Генетический изолят — это популяция организмов, которая практически не имеет генетического смешивания с другими организмами того же вида из-за географической изоляции или других факторов, препятствующих размножению . Генетические изоляты формируют новые виды посредством эволюционного процесса, известного как видообразование . Все современное видовое разнообразие является продуктом генетических изолятов и эволюции. [ требуется ссылка ]

Текущее распределение генетических различий и изоляции внутри и между популяциями также находится под влиянием генетических процессов. Результирующее генетическое разнообразие в пределах ареала распространения вида часто распределено неравномерно, и значительные различия могут возникать, когда дисперсия популяции и изоляция имеют решающее значение для выживания вида. [1]

Взаимосвязь генетического дрейфа , потока генов и естественного отбора определяет уровень и дисперсию генетических различий между популяциями и среди видов. [2] Географические и природные элементы могут также дополнять эти циклы и приводить к примерам наследственного разнообразия, таким как генетические различия, которые вызывают генетическую изоляцию. [3] Генетические вариации часто неравномерно распределены по географическому распределению вида, с различиями между популяциями в географическом центре и на краях ареала. [4]

Значительный поток генов происходит в основных популяциях, что приводит к генетической однородности. Напротив, низкий поток генов, сильный генетический дрейф и разнообразные условия отбора происходят в популяциях периферии ареала, усиливая генетическую изоляцию и гетерогенность среди людей. [5] Генетическая дифференциация, возникающая в результате генетической изоляции, происходит по мере того, как значительные изменения в генетических вариациях, такие как колебания аллельных частот, накапливаются с течением времени. [ необходима цитата ]

Значительное генетическое разнообразие может быть обнаружено в пределах ареала вида, где фрагментация и изоляция популяции с большей вероятностью повлияют на генетические процессы. Региональное разделение вызывается различными факторами, включая экологические процессы, которые регулярно изменяют местное распространение вида. [6] Например, вызванные человеком изменения окружающей среды, такие как вырубка лесов и деградация земель , могут привести к быстрым изменениям в распространении вида, что приведет к сокращению популяции, сегментации и региональной изоляции. [7]

Определение

Генетическая изоляция — это популяция организмов , которая практически не имеет генетического смешивания с другими организмами того же вида. Такая изоляция может привести к видообразованию , но это не гарантировано. Генетические изоляты могут образовывать новые виды несколькими способами:

Генетические изоляты, вызванные человеком, включают ограниченное разведение собак или сообщество, живущее изолированно от других, например, Тристан-да-Кунья или острова Питкэрн . Более значительные и менее изолированные человеческие генетические изоляты включают группы людей, такие как сардинцы или финны . [ требуется ссылка ]

Генетическая изоляция в сочетании с ухудшением качества среды обитания и ограниченной плотностью популяции, вероятно, приведет к коллапсу популяции и окончательному вымиранию . [8] Было показано, что скорость случайных мутаций, дрейф, высокие показатели инбридинга, ограниченный поток генов и региональное вымирание увеличиваются с изоляцией. Различные климатические условия, такие как определенные географические климатические изменения, могут вызывать давление, которое радикально меняет генетический состав вида, приводя к генетическим различиям через различные процессы отбора [9] , а также приводя к увеличению генетической изоляции внутри популяций. [10]

Экологическая гетерогенность исторически была определена как жизненно важный источник генетических вариаций и различий из-за изоляции, и несколько исследований обнаружили корреляции между нейтральными генетическими различиями, экологической гетерогенностью и генетической изоляцией. Генетическая изоляция и различные ассоциации в региональной гетерогенности могут быть приведены как доказательство диверсифицирующего отбора, работающего по всем геномам, охватывая явно нейтральные гены. Их можно использовать для прогнозирования долгосрочных эффектов факторов окружающей среды на генетическое разнообразие и изоляцию. [11]

Генетическая изоляция окружающей среды или расстояния

Сильный поток генов между популяциями может помочь местной адаптации, привнося новые генетические вариации в группы популяций, но он также может препятствовать адаптации, подавляя локально полезные гены. Размер популяции, генетическое разнообразие и окружающая среда могут влиять на результат. Изоляция по расстоянию (IBD), при которой темпы роста популяции и численность иммигрантов обратно пропорциональны расстоянию популяции, может коррелировать модели потока генов с географическим расстоянием. Поток генов может также следовать моделям изоляции по среде обитания, с более высокими скоростями потока генов среди все более распространенной формы. Более того, поток генов может быть наибольшим в разных областях. [12] Когда размер популяции ограничен, а особи подвергаются сильному отбору, поток генов может увеличить численность популяции, даже если возникающие фенотипы, как правило, неправильно адаптированы. Это может привести к увеличению генетических различий, которые приводят к изоляции, позволяя новым адаптациям закрепиться. [13]

Влияние расселения и питания на закономерности генетической изоляции

Генный поток между популяциями считается ключевым в развитии локальных адаптаций и видообразования. Оценка генетического разделения по расстоянию необходима для определения влияния способности к распространению и широты питания на генетическую структуру популяции. Сильные распространители имеют умеренную IBD (изоляцию по расстоянию) из-за гомогенизирующего эффекта потока генов, тогда как стационарные виды имеют ограниченный поток генов, что позволяет почти всем популяциям изолироваться. Генетическая однородность достигается в небольших географических масштабах в промежуточных распространителях, тогда как ограниченное распространение увеличивает генетическую изменчивость на больших расстояниях. [ требуется ссылка ] Также считается, что IBD растет с уменьшением широты питания, подвергая испытанию теорию о том, что специализация способствует видообразованию, влияя на генетическое подразделение популяции. В исследованиях IBD число людей более существенно, чем число множественных аллелей на локус. [14]

Генетическая изоляция у симпатрических видов

Адаптация к различным позициям и климатическим условиям может быть существенным источником генетических различий и изоляции популяций. Плейотропно-индуцированный половой отбор между особями этих генетически разнообразных популяций может быть вызван биологическими особенностями, выбранными для каждой среды обитания. Такие условия могут облегчить симпатрическое видообразование. Например, успешные переходы хозяев у фитофагов представляют собой убедительные доказательства экологической диверсификации в симпатрическом видообразовании. [15]

Современные модели генетической изоляции на островах

Генетическая структура видов на изолированном острове зависит от ряда экологических переменных, при этом на некоторые виды влияют отдельные контуры, а на другие — многие виды. Сестринские виды и конгенеры имеют различные элементы, способствующие изоляции внутри вида. [16] Особи из нескольких типов растительности на острове часто генетически связаны, что демонстрирует, что экологические и климатические факторы играют роль в определении конфигураций потока генов на небольшом острове. [ необходима цитата ]

Генетическая изоляция в разрозненных популяциях

Связь между статистическими генетическими различиями и размером популяции получила скудное научное внимание, хотя небольшие популяции имеют меньше генетической изменчивости в маркерных локусах. Исследователи показали, что в меньших фрагментированных метапопуляциях как нейтральная, так и количественно определяемая генетическая изменчивость снижается, а как дрейф, так и изменение отбора усиливаются. [17]

Генетическая изоляция и бремя генетического разнообразия

Виды с огромными экологическими амплитудами, в целом, имеют большое генетическое разнообразие. С другой стороны, более специализированные виды с небольшой экологической амплитудой и частотой имеют минимальное генетическое разнообразие. Инбридинговые депрессии могут представлять наибольшую угрозу для видов с умеренными требованиями к среде обитания и существенным генетическим разнообразием. [18]

Преимущества

В большинстве ситуаций высокоспециализированные виды ограничены небольшой частью доступной среды. [19] Эта экологическая специализация и, следовательно, географическое ограничение коренных популяций часто сопровождается сокращением потока генов, что приводит к небольшим размерам популяции и генетической дифференциации. В результате, из-за генетической изоляции, такие виды могут выжить только в том случае, если они приспособлены к минимальной генетической изоляции. [20] [21]

В поиске летальных генов генетические изоляты с фоном небольшой популяции-основателя, длительной изоляции и узких мест популяции являются бесценными ресурсами. Конкретные редкие моногенные расстройства усиливаются, и семьи с многочисленными больными членами становятся достаточно распространенными, чтобы их можно было использовать в локус-идентифицирующих анализах сцепления. Кроме того, большинство случаев вызваны одной и той же мутацией, а больные аллели выявляют связь неравновесия с молекулярными маркерами на больших генетических расстояниях, что упрощает распознавание локуса заболевания в небольших выборках исследования с несколькими затронутыми лицами с использованием поиска сходства для общего генотипа. Наличие неравновесного сцепления в аллелях заболевания улучшает анализ сцепления и помогает определить точное положение локуса заболевания в последовательности генома. [22]

Недостатки

Многие виды находятся где-то между универсалами и специалистами в диапазоне универсал-специалист. Такие виды обычно демонстрируют умеренную экологическую специализацию, не будучи ни чистыми универсалами, ни чистыми специалистами, что приводит к текучим изменениям, которые необходимо оценивать при категоризации видов. Несмотря на их значительную специализацию среды обитания, экологически переходные виды обычно не демонстрируют низкого генетического разнообразия, наблюдаемого у чистых специалистов, но вместо этого демонстрируют видоспецифические генетические различия в масштабе с универсалами. Наоборот, эти таксоны классифицируются как гораздо более находящиеся под угрозой исчезновения, чем можно было бы предположить по их степени специализации. Этот сценарий может быть вредным в прогрессировании сокращения популяции и может быть одним из факторов вымирания в этом случае из-за геномной нестабильности популяций и непредсказуемой агрегации вредных генов. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Tóth, Endre Gy; Tremblay, Francine; Housset, Johann M.; Bergeron, Yves; Carcaillet, Christopher (2019-10-17). «Географическая изоляция и климатическая изменчивость способствуют генетической дифференциации во фрагментированных популяциях долгоживущего субальпийского хвойного дерева Pinus cembra L. в западных Альпах». BMC Evolutionary Biology . 19 (1): 190. Bibcode :2019BMCEE..19..190T. doi : 10.1186/s12862-019-1510-4 . ISSN  1471-2148. PMC  6798344 . PMID  31623551.
  2. ^ ECKERT, CG; SAMIS, KE; LOUGHEED, SC (март 2008 г.). «Генетическая изменчивость в географических ареалах видов: центрально-маргинальная гипотеза и далее». Молекулярная экология . 17 (5): 1170–1188. Bibcode : 2008MolEc..17.1170E. doi : 10.1111/j.1365-294x.2007.03659.x . ISSN  0962-1083. PMID  18302683. S2CID  13746514.
  3. ^ Марчелли, П.; Галло, Л.А. (сентябрь 2001 г.). «Генетическое разнообразие и дифференциация южного бука, подвергнутого интрогрессивной гибридизации». Наследственность . 87 (3): 284–293. doi : 10.1046/j.1365-2540.2001.00882.x . ISSN  0018-067X. PMID  11737275. S2CID  22211025.
  4. ^ Хампе, Арндт; Пети, Реми Ж. (2005-03-07). «Сохранение биоразнообразия в условиях изменения климата: задний край имеет значение». Ecology Letters . 8 (5): 461–467. Bibcode : 2005EcolL...8..461H. doi : 10.1111/j.1461-0248.2005.00739.x. hdl : 10261/64087 . ISSN  1461-023X. PMID  21352449.
  5. ^ Брюне, Йоханна; Ларсон-Рабин, Захари; Стюарт, Кристи М. (июнь 2012 г.). «Распределение генетического разнообразия внутри и среди популяций водосбора Скалистых гор: влияние потока генов, опылителей и системы спаривания». Международный журнал наук о растениях . 173 (5): 484–494. doi :10.1086/665263. ISSN  1058-5893. S2CID  84162712.
  6. ^ Хампе, Арндт; Пети, Реми Ж. (2005-03-07). «Сохранение биоразнообразия в условиях изменения климата: задний край имеет значение». Ecology Letters . 8 (5): 461–467. Bibcode : 2005EcolL...8..461H. doi : 10.1111/j.1461-0248.2005.00739.x. hdl : 10261/64087 . ISSN  1461-023X. PMID  21352449.
  7. ^ Шепту, Пьер-Оливье; Харгривз, Анна Л.; Бонте, Драйс; Жакмен, Ганс (2017-01-19). «Адаптация к фрагментации: эволюционная динамика, обусловленная влиянием человека». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 372 (1712): 20160037. doi :10.1098/rstb.2016.0037. ISSN  0962-8436. PMC 5182433 . PMID  27920382. 
  8. ^ Стерлинг, Кен А.; Рид, Дэвид Х.; Нунан, Брайс П.; Уоррен, Мелвин Л. (2012-03-28). «Генетические эффекты фрагментации среды обитания и изоляции популяции на Etheostoma raneyi (Percidae)». Conservation Genetics . 13 (3): 859–872. Bibcode : 2012ConG...13..859S. doi : 10.1007/s10592-012-0335-0. ISSN  1566-0621. S2CID  14016133.
  9. ^ Крейлинг, Юрген; Бук, Констанце; Бакхаус, Сабрина; Халлингер, Мартин; Хубер, Герхард; Хубер, Лукас; Йенч, Анке; Коннерт, Моника; Тиль, Даниэль; Вильмкинг, Мартин; Бейеркюнляйн, Карл (2014-02-07). «Локальная адаптация к заморозкам в пограничных и центральных популяциях доминирующего лесного дерева F agus sylvatica L. под влиянием температуры и экстремальной засухи в обычных садовых экспериментах». Экология и эволюция . 4 (5): 594–605. Bibcode : 2014EcoEv...4..594K. doi : 10.1002/ece3.971. ISSN  2045-7758. PMC 4098140. PMID 25035801  . 
  10. ^ Бокельманн, А.-К.; Ройш, ТБХ; Бейлсма, Р.; Баккер, Дж. П. (февраль 2003 г.). «Дифференциация среды обитания против изоляции по расстоянию: генетическая структура популяции Elymus athletics в европейских солончаках». Молекулярная экология . 12 (2): 505–515. doi :10.1046/j.1365-294x.2003.01706.x. ISSN  0962-1083. PMID  12535100. S2CID  23544230.
  11. ^ Цзян, Сяо-Лун; Ань, Мяо; Чжэн, Си-Си; Дэн, Минь; Су, Чжи-Хао (2017-12-27). «Географическая изоляция и неоднородность окружающей среды способствуют пространственным генетическим моделям Quercus kerrii (Fagaceae)». Наследственность . 120 (3): 219–233. doi :10.1038/s41437-017-0012-7. ISSN  0018-067X. PMC 5836588. PMID 29279604  . 
  12. ^ Секстон, Джейсон П.; Хангартнер, Сандра Б.; Хоффманн, Ари А. (январь 2014 г.). «Генетическая изоляция средой или расстоянием: какой паттерн потока генов наиболее распространен?». Эволюция . 68 (1): 1–15. doi : 10.1111/evo.12258 . PMID  24111567. S2CID  10975665.
  13. ^ Холт, Роберт Д.; Гомулькевич, Ричард (март 1997 г.). «Как иммиграция влияет на локальную адаптацию? Переосмысление знакомой парадигмы». The American Naturalist . 149 (3): 563–572. doi :10.1086/286005. ISSN  0003-0147. S2CID  83733282.
  14. ^ Петерсон, Меррилл А.; Денно, Роберт Ф. (сентябрь 1998 г.). «Влияние дисперсии и широты рациона на закономерности генетической изоляции по расстоянию у насекомых-фитофагов». The American Naturalist . 152 (3): 428–446. doi :10.1086/286180. ISSN  0003-0147. PMID  18811450. S2CID  3497508.
  15. ^ Томас, Ян; Бетено, Мари-Терез; Пелосуэло, Лоран; Фреро, Брижит; Бурге, Дени (февраль 2003 г.). «Генетическая изоляция между двумя симпатрическими расами растений-хозяев европейского кукурузного мотылька Ostrinia Nubilalis Hubner I. Половой феромон, время появления моли и паразитизм». Эволюция . 57 (2): 261–273. doi : 10.1111/j.0014-3820.2003.tb00261.x . ISSN  0014-3820. PMID  12683523. S2CID  221734366.
  16. ^ Хайдер, Сильвия; Кюффер, Кристоф; Эдвардс, Питер Дж.; Александр, Джейк М. (сентябрь 2012 г.). «Генетически обусловленная дифференциация в росте нескольких неместных видов растений вдоль крутого градиента окружающей среды». Oecologia . 170 (1): 89–99. Bibcode :2012Oecol.170...89H. doi :10.1007/s00442-012-2291-2. ISSN  0029-8549. PMID  22434406. S2CID  6346092.
  17. ^ WILLI, Y.; VAN BUSKIRK, J.; SCHMID, B.; FISCHER, M. (март 2007 г.). «Генетическая изоляция фрагментированных популяций усугубляется дрейфом и отбором». Journal of Evolutionary Biology . 20 (2): 534–542. doi : 10.1111/j.1420-9101.2006.01263.x . ISSN  1010-061X. PMID  17305819. S2CID  1324102.
  18. ^ Хабель, Ян Кристиан; Шмитт, Томас (март 2012 г.). «Бремя генетического разнообразия». Biological Conservation . 147 (1): 270–274. Bibcode : 2012BCons.147..270H. doi : 10.1016/j.biocon.2011.11.028. ISSN  0006-3207.
  19. ^ Йоханссон, Пер; Эрлен, Йохан (апрель 2003 г.). «Влияние количества, качества и изоляции среды обитания на распределение и обилие двух эпифитных лишайников». Журнал экологии . 91 (2): 213–221. Bibcode : 2003JEcol..91Q.213J. doi : 10.1046/j.1365-2745.2003.00755.x . ISSN  0022-0477. S2CID  90492074.
  20. ^ Кавамура, Коичи; Кубота, Масаси; Фурукава, Мики; Харада, Ясуши (5 января 2007 г.). «Генетическая структура находящихся под угрозой исчезновения коренных популяций лосося амаго Oncorhynchus masou ishikawae в Японии». Сохраняющая генетика . 8 (5): 1163–1176. Бибкод : 2007ConG....8.1163K. doi : 10.1007/s10592-006-9271-1. ISSN  1566-0621. S2CID  32130367.
  21. ^ Бесольд, Иоахим; Шмитт, Томас; Таммару, Тоомас; Кассель-Лундхаген, Анна (ноябрь 2008 г.). «Сильное генетическое обеднение от центра распространения в южной Европе до периферийных балтийских и изолированных скандинавских популяций бабочки-жемчужницы». Журнал биогеографии . 35 (11): 2090–2101. Bibcode : 2008JBiog..35.2090B. doi : 10.1111/j.1365-2699.2008.01939.x. ISSN  0305-0270. S2CID  84534648.
  22. ^ Пелтонен, Леена (1999-10-01). «Позиционное клонирование генов болезней: преимущества генетических изолятов». Human Heredity . 50 (1): 66–75. doi :10.1159/000022892. ISSN  0001-5652. PMID  10545759. S2CID  25810192.
  23. ^ Хабель, Ян Кристиан; Шмитт, Томас (март 2012 г.). «Бремя генетического разнообразия». Biological Conservation . 147 (1): 270–274. Bibcode : 2012BCons.147..270H. doi : 10.1016/j.biocon.2011.11.028. ISSN  0006-3207.