В популяционной генетике поток генов (также известный как миграция и поток аллелей ) — это перенос генетического материала из одной популяции в другую. Если скорость потока генов достаточно высока, то две популяции будут иметь эквивалентные частоты аллелей и, следовательно, могут считаться одной эффективной популяцией. Было показано, что для предотвращения расхождения популяций из-за дрейфа требуется всего «один мигрант на поколение» . [1] Популяции могут расходиться из-за отбора , даже когда они обмениваются аллелями, если давление отбора достаточно сильное. [2] [3] Поток генов — важный механизм переноса генетического разнообразия между популяциями. Мигранты изменяют распределение генетического разнообразия между популяциями, изменяя частоты аллелей (долю членов, несущих определенный вариант гена). Высокие скорости потока генов могут снизить генетическую дифференциацию между двумя группами, увеличивая однородность. [4] По этой причине считалось, что поток генов ограничивает видообразование и предотвращает расширение ареала путем объединения генофондов групп, тем самым предотвращая развитие различий в генетической изменчивости, которые могли бы привести к дифференциации и адаптации . [5] В некоторых случаях расселение, приводящее к потоку генов, может также приводить к добавлению новых генетических вариантов под действием положительного отбора в генофонд вида или популяции (адаптивная интрогрессия. [6] )
Существует ряд факторов, влияющих на скорость потока генов между различными популяциями. Ожидается, что поток генов будет ниже у видов с низкой дисперсией или мобильностью, которые встречаются во фрагментированных местообитаниях, где существуют большие расстояния между популяциями и когда существуют небольшие размеры популяции. [7] [8] Мобильность играет важную роль в скорости рассеивания, так как высокомобильные особи, как правило, имеют больше перспектив для перемещения. [9] Хотя считается, что животные более мобильны, чем растения, пыльца и семена могут переноситься на большие расстояния животными, водой или ветром. Когда поток генов затруднен, может произойти увеличение инбридинга , измеряемого коэффициентом инбридинга (F) внутри популяции. Например, многие островные популяции имеют низкие скорости потока генов из-за географической изоляции и небольших размеров популяции. У черноногого скального валлаби есть несколько инбридинговых популяций, которые живут на различных островах у побережья Австралии. Популяция настолько сильно изолирована, что отсутствие потока генов привело к высоким показателям инбридинга. [10]
Уровень потока генов между популяциями можно оценить, наблюдая за расселением особей и регистрируя их репродуктивный успех. [4] [11] Этот прямой метод подходит только для некоторых типов организмов, чаще используются косвенные методы, которые выводят поток генов, сравнивая частоты аллелей среди образцов популяции. [1] [4] Чем более генетически дифференцированы две популяции, тем ниже оценка потока генов, поскольку поток генов имеет гомогенизирующий эффект. Изоляция популяций приводит к дивергенции из-за дрейфа, в то время как миграция снижает дивергенцию. Поток генов можно измерить, используя эффективный размер популяции ( ) и чистую скорость миграции на поколение (m). Используя приближение, основанное на модели острова, эффект миграции можно рассчитать для популяции с точки зрения степени генетической дифференциации ( ). [12] Эта формула учитывает долю общей молекулярной вариации маркеров среди популяций, усредненную по локусам . [13] Когда на поколение приходится один мигрант, коэффициент инбридинга ( ) равен 0,2. Однако, когда на поколение приходится менее 1 мигранта (миграция отсутствует), коэффициент инбридинга быстро возрастает, что приводит к фиксации и полной дивергенции ( = 1). Наиболее распространенным является < 0,25. Это означает, что происходит некоторая миграция. Меры структуры популяции варьируются от 0 до 1. Когда поток генов происходит посредством миграции, пагубные эффекты инбридинга могут быть смягчены. [1]
Формулу можно модифицировать для вычисления скорости миграции, если известно: , Nm = количество мигрантов. [1]
Когда поток генов блокируется физическими барьерами, это приводит к аллопатрическому видообразованию или географической изоляции, которая не позволяет популяциям одного и того же вида обмениваться генетическим материалом. Физические барьеры для потока генов обычно, но не всегда, естественны. Они могут включать непроходимые горные хребты, океаны или обширные пустыни. В некоторых случаях это могут быть искусственные, созданные человеком барьеры, такие как Великая Китайская стена , которая препятствовала потоку генов местных популяций растений. [14] Одно из этих местных растений, Ulmus pumila , продемонстрировало более низкую распространенность генетической дифференциации, чем растения Vitex negundo, Ziziphus jujuba, Heteropappus hispidus и Prunus armeniaca, среда обитания которых находится на противоположной стороне Великой Китайской стены, где растет Ulmus pumila . [14] [ проверка не удалась ] Это связано с тем, что у Ulmus pumila ветроопыление является основным способом размножения, а последние осуществляют опыление с помощью насекомых. [14] [ проверка не удалась ] Было показано, что образцы одного и того же вида, растущие по обе стороны, имеют генетические различия, поскольку поток генов, обеспечивающий рекомбинацию генофондов, незначителен или отсутствует.
Препятствия к потоку генов не всегда должны быть физическими. Симпатрическое видообразование происходит, когда новые виды от одного и того же предкового вида возникают вдоль одного и того же ареала. Это часто является результатом репродуктивного барьера. Например, было обнаружено, что два вида пальмы Howea, обнаруженные на острове Лорд-Хау, имеют существенно разное время цветения, коррелирующее с предпочтениями почвы, что приводит к репродуктивному барьеру, препятствующему потоку генов. [15] Виды могут жить в одной и той же среде, но при этом демонстрировать очень ограниченный поток генов из-за репродуктивных барьеров, фрагментации, специализированных опылителей или ограниченной гибридизации или гибридизации, дающей непригодные гибриды. Криптичный вид — это вид, который люди не могут отличить от другого без использования генетики. Более того, поток генов между гибридными и дикими популяциями может привести к потере генетического разнообразия из-за генетического загрязнения , ассортативного спаривания и аутбридинга . В человеческих популяциях генетическая дифференциация также может быть результатом эндогамии из-за различий в касте, этнической принадлежности, обычаях и религии.
Генный поток также может быть использован для помощи видам, находящимся под угрозой вымирания. Когда вид существует в небольших популяциях, существует повышенный риск инбридинга и большая восприимчивость к потере разнообразия из-за дрейфа. Эти популяции могут получить большую выгоду от введения неродственных особей [11], которые могут увеличить разнообразие [16] и сократить количество инбридинга, а также потенциально увеличить размер популяции. [17] Это было продемонстрировано в лаборатории с двумя штаммами бутылочного горлышка Drosophila melanogaster , в которых скрещивания между двумя популяциями отменили эффекты инбридинга и привели к большим шансам на выживание не только в одном поколении, но и в двух. [18]
Человеческая деятельность, такая как перемещение видов и изменение ландшафта, может привести к генетическому загрязнению, гибридизации , интрогрессии и генетическому затоплению. Эти процессы могут привести к гомогенизации или замене местных генотипов в результате либо численного, либо преимущества в приспособленности интродуцированного растения или животного. [19] Неместные виды могут угрожать местным растениям и животным вымиранием из-за гибридизации и интрогрессии либо посредством целенаправленного внедрения людьми, либо посредством изменения среды обитания, приводя ранее изолированные виды в контакт. Эти явления могут быть особенно пагубными для редких видов, вступающих в контакт с более распространенными, что может происходить между островными и материковыми видами. Скрещивание между видами может вызвать «затопление» генофонда более редких видов, создавая гибриды, которые вытесняют местное поголовье. Это прямой результат эволюционных сил, таких как естественный отбор, а также генетический дрейф, которые приводят к увеличению распространенности выгодных признаков и гомогенизации. Масштабы этого явления не всегда очевидны только по внешнему виду . Хотя в ходе нормальной эволюции происходит некоторая степень потока генов, гибридизация с интрогрессией или без нее может угрожать существованию редкого вида. [20] [21] Например, кряква — это распространенный вид уток, который легко скрещивается с широким спектром других уток и представляет угрозу целостности некоторых видов. [22] [ проверка не удалась ]
Существует две основные модели того, как урбанизация влияет на поток генов городских популяций. Первая — через фрагментацию среды обитания , также называемую городской фрагментацией, в которой изменения ландшафта, которые нарушают или фрагментируют среду обитания, уменьшают генетическое разнообразие. Вторая называется моделью городского содействия и предполагает, что в некоторых популяциях поток генов обеспечивается антропогенными изменениями ландшафта. Городское содействие потоку генов соединяет популяции, уменьшает изоляцию и увеличивает поток генов в область, которая в противном случае не имела бы этого специфического состава генома. [23]
Городское содействие может происходить многими различными способами, но большинство механизмов включают приведение ранее разделенных видов в контакт, как напрямую, так и косвенно. Изменение среды обитания посредством урбанизации приведет к фрагментации среды обитания, но также может потенциально разрушить барьеры и создать путь или коридор, который может соединить два ранее разделенных вида. Эффективность этого зависит от способности отдельных видов к расселению и адаптации к различным средам для использования антропогенных структур для перемещения. Изменение климата , вызванное человеком , является еще одним механизмом, с помощью которого обитающие на юге животные могут быть вынуждены двигаться на север к более низким температурам, где они могут вступить в контакт с другими популяциями, ранее не входившими в их ареал. Более непосредственно, известно, что люди вводят неместные виды в новые среды, что может привести к гибридизации похожих видов. [24]
Эта модель содействия городскому развитию была протестирована на вредителе здоровья человека, западном черном пауке вдове ( Latrodectus hesperus ). Исследование Майлза и соавторов собрало данные об изменении полиморфизма одного нуклеотида по всему геному в городских и сельских популяциях пауков и обнаружило доказательства увеличения потока генов в городских популяциях западных черных вдов по сравнению с сельскими популяциями. Кроме того, геном этих пауков был более схож между сельскими популяциями, чем в городских популяциях, что предполагает увеличение разнообразия и, следовательно, адаптации в городских популяциях западного черного паука. Фенотипически городские пауки крупнее, темнее и агрессивнее, что может привести к повышению выживаемости в городских условиях. Эти результаты демонстрируют поддержку содействия городскому развитию, поскольку эти пауки на самом деле способны распространяться и диверсифицироваться быстрее в городских условиях, чем в сельской местности. Однако это также пример того, как содействие городскому развитию, несмотря на увеличение потока генов, не обязательно приносит пользу окружающей среде, поскольку западные черные вдовы обладают высокотоксичным ядом и, следовательно, представляют опасность для здоровья человека. [25]
Другим примером городского содействия является миграция рысей ( Lynx rufus ) на севере США и юге Канады. Исследование Марроте и соавторов секвенировало четырнадцать различных микросателлитных локусов у рысей в районе Великих озер и обнаружило, что долгота влияет на взаимодействие между антропогенными изменениями ландшафта и потоком генов популяции рысей. В то время как рост глобальной температуры вытесняет популяции рысей на северные территории, возросшая человеческая деятельность также способствует миграции рысей на север. Возросшая человеческая деятельность приводит к увеличению количества дорог и трафика, но также увеличивает обслуживание дорог, расчистку и уплотнение снега, непреднамеренно расчищая путь для перемещения рысей. Антропогенное влияние на пути миграции рысей является примером городского содействия посредством открытия коридора для потока генов. Однако в южном ареале рысей увеличение количества дорог и трафика коррелирует с уменьшением лесного покрова, что препятствует потоку генов популяции рысей через эти районы. По иронии судьбы, перемещение рысей на север вызвано глобальным потеплением, вызванным деятельностью человека, но также обусловлено возросшей антропогенной активностью в северных районах, что делает эти места обитания более подходящими для рысей. [26]
Последствия городского содействия различаются от вида к виду. Положительные эффекты городского содействия могут возникать, когда увеличение потока генов обеспечивает лучшую адаптацию и вводит полезные аллели, и в идеале увеличивает биоразнообразие. Это имеет последствия для сохранения: например, городское содействие приносит пользу исчезающему виду тарантула и может помочь увеличить размер популяции. Отрицательные эффекты возникнут, когда увеличение потока генов является неадаптивным и приводит к потере полезных аллелей. В худшем случае это приведет к геномному вымиранию через гибридный рой . Также важно отметить, что в схеме общего здоровья экосистемы и биоразнообразия городское содействие не обязательно полезно и, как правило, применяется к городским вредителям-адаптерам. [25] Примерами этого являются ранее упомянутый западный паук черная вдова, а также тростниковая жаба , которая могла использовать дороги для перемещения и перенаселения Австралии. [23]
Горизонтальный перенос генов (ГПГ) относится к переносу генов между организмами способом, отличным от традиционного размножения, либо посредством трансформации (прямого поглощения генетического материала клеткой из ее окружения), конъюгации (перенос генетического материала между двумя бактериальными клетками, находящимися в прямом контакте), трансдукции (инъекции чужеродной ДНК вирусом- бактериофагом в клетку-хозяина) или трансдукции, опосредованной ГТА (перенос вирусоподобным элементом, продуцируемым бактерией). [27] [28]
Вирусы могут переносить гены между видами. [29] Бактерии могут включать гены из мертвых бактерий, обмениваться генами с живыми бактериями и могут обмениваться плазмидами через границы видов. [30] «Сравнения последовательностей предполагают недавний горизонтальный перенос многих генов среди различных видов, в том числе через границы филогенетических «доменов». Таким образом, определение филогенетической истории вида не может быть сделано окончательно путем определения эволюционных деревьев для отдельных генов». [31]
Биолог Гогартен предполагает, что «первоначальная метафора дерева больше не соответствует данным недавних исследований генома». Биологам [следует] вместо этого использовать метафору мозаики для описания различных историй, объединенных в отдельных геномах, и использовать метафору переплетенной сети для визуализации богатого обмена и кооперативных эффектов горизонтального переноса генов. [32]
«Используя отдельные гены в качестве филогенетических маркеров , трудно проследить филогению организмов в присутствии ГПГ. Объединение простой модели коалесценции кладогенеза с редкими событиями ГПГ предполагает, что не было единого последнего общего предка , который содержал бы все гены, являющиеся предками тех, которые являются общими для трех доменов жизни . Каждая современная молекула имеет свою собственную историю и восходит к индивидуальной молекуле- ценандерсу . Однако эти молекулярные предки, вероятно, присутствовали в разных организмах в разное время». [33]
В некоторых случаях, когда у вида есть родственный вид и возможности для размножения возможны из-за устранения предыдущих барьеров или посредством введения в результате вмешательства человека, виды могут гибридизироваться и обмениваться генами и соответствующими признаками. [34] Этот обмен не всегда очевиден, поскольку иногда гибриды могут выглядеть идентично исходному виду фенотипически , но при тестировании мтДНК становится очевидно, что гибридизация произошла. Дифференциальная гибридизация также происходит, потому что некоторые признаки и ДНК легче обмениваются, чем другие, и это является результатом селективного давления или его отсутствия, что облегчает транзакцию. В случаях, когда введенный вид начинает заменять местный вид, местный вид оказывается под угрозой, а биоразнообразие сокращается, таким образом делая это явление скорее отрицательным, чем положительным случаем потока генов, который увеличивает генетическое разнообразие. [35] Интрогрессия - это замена аллелей одного вида на аллели вида-захватчика. Важно отметить, что гибриды иногда оказываются менее «приспособленными», чем их родительское поколение, [36] и, как следствие, представляют собой тщательно отслеживаемую генетическую проблему, поскольку конечной целью генетики сохранения является поддержание генетической целостности вида и сохранение биоразнообразия.
Хотя поток генов может значительно повысить приспособленность популяции, он также может иметь негативные последствия в зависимости от популяции и среды, в которой они находятся. Эффекты потока генов зависят от контекста.
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )