Генетическое разнообразие - Genetic diversity

Часть серии по
Эволюционная биология
Зяблики Дарвина, автор Gould.jpg

Генетическое разнообразие общее количество генетический характеристики в генетическом составе вида, он широко варьируется от числа видов до различий в пределах разновидность и может быть отнесено к продолжительности выживания вида.[1] Он отличается от генетическая изменчивость, который описывает тенденцию к изменению генетических характеристик.

Генетическое разнообразие служит способом адаптации населения к меняющимся условиям. Чем больше вариаций, тем более вероятно, что некоторые особи в популяции будут обладать вариациями аллели которые подходят для окружающей среды. Эти люди с большей вероятностью выживут, чтобы произвести потомство, несущее этот аллель. Популяция будет продолжаться еще несколько поколений благодаря успеху этих людей.[2]

Академическая область популяционная генетика включает несколько гипотез и теорий относительно генетического разнообразия. В нейтральная теория эволюции предполагает, что разнообразие является результатом накопления нейтральных замен. Диверсифицирующий выбор это гипотеза о том, что две субпопуляции вида живут в разных средах, которые выбирают разные аллели в определенном локусе. Это может произойти, например, если вид имеет большой ареал относительно мобильности особей внутри него. Выбор в зависимости от частоты это гипотеза о том, что по мере того, как аллели становятся более распространенными, они становятся более уязвимыми. Это происходит в взаимодействия хозяина и патогена, где высокая частота защитного аллеля среди хозяин означает, что более вероятно, что возбудитель будет распространяться, если сможет преодолеть это аллель.

Графическое изображение типичного человека кариотип.

Внутри видового разнообразия

Разновидности кукуруза в офисе Российского генетика растений Николай Вавилов

Исследование, проведенное Национальный научный фонд в 2007 году обнаружили, что генетическое разнообразие (в пределах видового разнообразия) и биоразнообразие зависят друг от друга, то есть разнообразие внутри одного вида необходимо для поддержания разнообразия между видами, и наоборот. По словам ведущего исследователя исследования доктора Ричарда Ланкау, «если какой-либо один тип будет удален из системы, цикл может нарушиться, и в сообществе будет доминировать один вид».[3] Генотипический и фенотипический разнообразие обнаружено у всех видов на белок, ДНК, и организменный уровни; в природе это разнообразие неслучайно, сильно структурировано и коррелирует с изменчивостью окружающей среды и стресс.[4]

Взаимозависимость между генетическим и видовым разнообразием тонкая. Изменения видового разнообразия приводят к изменениям в окружающей среде, что приводит к адаптации остальных видов. Изменения генетического разнообразия, например, исчезновение видов, приводит к потере биологическое разнообразие.[2] Утрата генетического разнообразия популяций домашних животных также изучалась и объяснялась расширением рынков и экономическая глобализация.[5][6]

Эволюционное значение генетического разнообразия

Приспособление

Вариативность генофонда популяций позволяет естественный отбор действовать на основе черт, позволяющих населению адаптироваться к меняющимся условиям. Отбор за или против признака может происходить при изменении окружающей среды, что приводит к увеличению генетического разнообразия (если появляется новый мутация выбран и поддерживается) или уменьшение генетического разнообразия (если выбран неблагоприятный аллель).[7] Следовательно, генетическое разнообразие играет важную роль в выживании и приспособляемости вида.[8] Способность популяции адаптироваться к изменяющейся среде будет зависеть от наличия необходимого генетического разнообразия.[9][10] Чем больше генетического разнообразия у популяции, тем больше вероятность того, что она сможет адаптироваться и выжить. И наоборот, уязвимость населения к изменениям, таким как изменение климата или новое болезни увеличится с уменьшением генетического разнообразия.[11] Например, неспособность коал адаптироваться к борьбе Хламидиоз и коала ретровирус (KoRV) был связан с низким генетическим разнообразием коалы.[12] Это низкое генетическое разнообразие также беспокоит генетиков относительно способности коал адаптироваться к изменению климата и антропогенным изменениям окружающей среды в будущем.[12]

Небольшие популяции

Большие популяции с большей вероятностью сохранят генетический материал и, следовательно, обычно имеют более высокое генетическое разнообразие.[7] Небольшие популяции с большей вероятностью испытают потерю разнообразия со временем по случайности, что называется генетический дрейф. Когда аллель (вариант гена) дрейфует до фиксации, другой аллель в том же локусе теряется, что приводит к потере генетического разнообразия.[13] При небольших размерах населения инбридинг, или же вязка между людьми со сходным генетическим составом, более вероятно, что приведет к сохранению более общих аллелей до точки фиксации, тем самым уменьшив генетическое разнообразие.[14] Поэтому опасения по поводу генетического разнообразия особенно важны в отношении крупных млекопитающих из-за их небольшого размера популяции и высокого уровня антропогенного воздействия на популяцию.[16]

А генетическое узкое место может произойти, когда популяция переживает период низкой численности особей, что приводит к быстрому снижению генетического разнообразия. Даже при увеличении размера популяции генетическое разнообразие часто остается низким, если весь вид начинался с небольшой популяции, поскольку полезные мутации (см. Ниже) редки, а генофонд ограничен небольшой начальной популяцией.[15] Это важное соображение в области генетика сохранения при работе над спасенной популяцией или видом, который является генетически здоровым.

Мутация

Случайный мутации последовательно генерировать генетическая вариация.[7] В краткосрочной перспективе мутация увеличит генетическое разнообразие, поскольку в генофонд вводится новый ген. Однако устойчивость этого гена зависит от дрейфа и отбора (см. Выше). Большинство новых мутаций оказывают нейтральное или отрицательное влияние на приспособленность, а некоторые - положительно.[7] Полезная мутация с большей вероятностью сохранится и, таким образом, окажет долгосрочное положительное влияние на генетическое разнообразие. Скорости мутаций различаются по геному, и более крупные популяции имеют более высокие показатели мутаций.[7] В меньших популяциях мутация с меньшей вероятностью сохранится, потому что с большей вероятностью она будет устранена путем дрейфа.[7]

Генный поток

Генный поток часто миграция - это перемещение генетического материала (например, пыльца на ветру или миграция птиц). Поток генов может привнести новые аллели в популяцию. Эти аллели можно интегрировать в популяцию, тем самым увеличивая генетическое разнообразие.[16]

Например, мутация, резистентная к инсектицидам, возникла в Anopheles gambiae Африканские комары. Миграция некоторых A. gambiae комаров населению Anopheles coluzziin Комары привели к передаче полезного гена устойчивости от одного вида к другому. Генетическое разнообразие увеличилось в A. gambiae мутацией и в A. coluzziin потоком генов.[17]

В сельском хозяйстве

В посевах

Когда люди начали заниматься сельским хозяйством, они использовали селекция передать желательные качества культур, исключив нежелательные. Селективное разведение приводит к монокультуры: целые фермы почти генетически идентичных растений. Практически полное отсутствие генетического разнообразия делает сельскохозяйственные культуры чрезвычайно восприимчивыми к широко распространенным заболеваниям; бактерии постоянно видоизменяются и изменяются, и когда болезнетворная бактерия изменяется, чтобы атаковать конкретную генетическую вариацию, она может легко уничтожить огромное количество видов. Если генетическая вариация, которую бактерия лучше всего атакует, окажется той, которую люди избирательно разводят для использования для сбора урожая, весь урожай будет уничтожен.[18]

Девятнадцатый век Великий голод в Ирландии отчасти было вызвано отсутствием биоразнообразия. Поскольку новые растения картофеля возникают не в результате воспроизводства, а, скорее, из частей родительского растения, генетическое разнообразие не развивается, а весь урожай является, по сути, клоном одного картофеля, он особенно подвержен эпидемии. В 1840-х годах большая часть населения Ирландии зависела от картофеля в качестве пищи. Они посадили именно «крупный» сорт картофеля, который был подвержен гниению. оомицет называется Phytophthora infestans.[19] Грибок уничтожил подавляющую часть урожая картофеля и оставил миллион человек умирать от голода.

Генетическое разнообразие в сельском хозяйстве связано не только с болезнями, но и травоядные животные. Точно так же, как в приведенном выше примере, монокультурное сельское хозяйство отбирает признаки, которые одинаковы на всем участке. Если это генотип восприимчив к определенным травоядным животным, это может привести к потере большой части урожая.[20][21] Один из способов, которым фермеры обойти это, - это скрещивание. Посадив ряды несвязанных или генетически отличных культур в качестве барьеров между травоядными и их предпочтительным растением-хозяином, фермер эффективно снижает способность травоядных распространяться по всему участку.[22][23][24]

В животноводстве

Генетическое разнообразие видов домашнего скота позволяет животноводство в различных средах и с целым рядом различных целей. Он дает сырье для селекция программы и позволяет поголовью скота адаптироваться к изменению условий окружающей среды.[25]

Биоразнообразие домашнего скота могут быть потеряны в результате порода вымирания и другие формы генетическая эрозия. По состоянию на июнь 2014 г. среди 8774 пород, зарегистрированных в Информационной системе о разнообразии домашних животных (ПАПА-ИС ), управляемая Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО ), 17 процентов были классифицированы как находящиеся под угрозой исчезновения, а 7 процентов уже вымерли.[25] В настоящее время существует Глобальный план действий в области генетических ресурсов животных, который был разработан под эгидой Комиссии по генетическим ресурсам для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства в 2007 году и который обеспечивает основу и руководящие принципы управления генетическими ресурсами животных.

Осведомленность о важности сохранения генетических ресурсов животных со временем возросла. ФАО опубликовала два отчета по состояние мировых генетических ресурсов животных для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, которые охватывают подробный анализ нашего глобального разнообразия домашнего скота и способности управлять им и сохранять его.

Вирусные последствия

При разработке вакцинации необходимо учитывать высокое генетическое разнообразие вирусов. Высокое генетическое разнообразие затрудняет разработку целевых вакцин и позволяет вирусам быстро эволюционировать, чтобы противостоять летальному исходу вакцинации. Например, на вакцинацию против малярии влияет высокий уровень генетического разнообразия белковых антигенов.[26] К тому же, ВИЧ-1 генетическое разнообразие ограничивает использование доступных в настоящее время тестов на вирусную нагрузку и резистентность.[27]

Как справиться с низким генетическим разнообразием

Фотомонтаж планктонных организмов.
А Танзанийский гепард.

Естественный

В естественном мире есть несколько способов сохранения или увеличения генетического разнообразия. Среди океанических планктон, вирусы помощь в процессе генетического сдвига. Океанские вирусы, поражающие планктон, несут гены других организмов в дополнение к своим собственным. Когда вирус, содержащий гены одной клетки, заражает другую, генетический состав последней изменяется. Этот постоянный сдвиг генетической структуры помогает поддерживать здоровую популяцию планктона, несмотря на сложные и непредсказуемые изменения окружающей среды.[28]

Гепарды площадь угрожаемые виды. Низкое генетическое разнообразие и, как следствие, плохое качество спермы затрудняют размножение и выживание гепардов. Более того, только около 5% гепардов доживают до взрослой жизни.[29] Однако недавно было обнаружено, что самки гепардов могут спариваться более чем с одним самцом на помет детенышей. Они подвергаются индуцированной овуляции, что означает, что каждый раз, когда самка спаривается, вырабатывается новое яйцо. Спариваясь с несколькими самцами, мать увеличивает генетическое разнообразие детенышей в одном помете.[30]

Человеческое вмешательство

Попытки повысить жизнеспособность вида за счет увеличения генетического разнообразия называют генетическим спасением. Например, восемь пантер из Техаса были введены в популяцию пантер во Флориде, которая сокращалась и страдала от депрессии инбридинга. Таким образом, увеличилась генетическая изменчивость, что привело к значительному увеличению популяции флоридской пантеры.[31] Создание или поддержание высокого генетического разнообразия является важным фактором в усилиях по спасению видов, чтобы гарантировать долголетие популяции.

Меры

Генетическое разнообразие популяции можно оценить с помощью простых мер.

  • Генное разнообразие это доля полиморфный локусы через геном.
  • Гетерозиготность - это доля особей в популяции, гетерозиготных по определенному локусу.
  • Аллели на локус также используется для демонстрации изменчивости.
  • Нуклеотидное разнообразие представляет собой степень нуклеотидного полиморфизма в популяции и обычно измеряется с помощью молекулярных маркеров, таких как микро- и минисателлитные последовательности, митохондриальная ДНК,[32] и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP).

Кроме того, программное обеспечение стохастического моделирования обычно используется для прогнозирования будущего популяции с учетом таких показателей, как частота аллелей и размер популяции.[33]

Генетическое разнообразие также может быть измерено. Различные зарегистрированные способы измерения генетического разнообразия включают:[34]

  • Видовое богатство это мера количества видов
  • Обилие видов относительная мера численности видов
  • Плотность видов - оценка общего числа видов на единицу площади.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ биологический онлайн-словарь, генетическое разнообразие. "определение и примеры генетического разнообразия".
  2. ^ а б «Национальная биологическая информационная инфраструктура». Введение в генетическое разнообразие. Геологическая служба США. Архивировано из оригинал 25 февраля 2011 г.. Получено 1 марта, 2011.
  3. ^ "Исследование: потеря генетического разнообразия угрожает разнообразию видов". Получено 8 мая 2018.
  4. ^ Нево, Эвиатар (май 2001 г.). "Эволюция разнообразия геномов и феномов в условиях стресса окружающей среды". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (11): 6233–6240. Дои:10.1073 / pnas.101109298. JSTOR  3055788. ЧВК  33451. PMID  11371642.
  5. ^ Жених, М. Дж .; Meffe, G.K .; Кэрролл, К. Р. (2006). Принципы природоохранной биологии (3-е изд.). Sinauer Associates. Сайт с дополнительной информацией: http://www.sinauer.com/groom/ В архиве 2006-12-30 на Wayback Machine
  6. ^ Тисделл, К. (2003). «Социально-экономические причины потери генетического разнообразия животных: анализ и оценка». Экологическая экономика. 45 (3): 365–376. CiteSeerX  10.1.1.571.7424. Дои:10.1016 / S0921-8009 (03) 00091-0.
  7. ^ а б c d е ж Райт, Алан Ф. (сентябрь 2005 г.). Генетическая изменчивость: полиморфизмы и мутации. Энциклопедия наук о жизни. Дои:10.1038 / npg.els.0005005. ISBN  978-0470016176.
  8. ^ Франкхэм, Ричард (ноябрь 2005 г.). «Генетика и вымирание». Биологическое сохранение. 126 (2): 131–140. Дои:10.1016 / j.biocon.2005.05.002. Скорость эволюционного изменения (R) определяется в первую очередь количественной генетической изменчивостью.
  9. ^ Пуллин, Андрей С. (2002). Биология сохранения (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521644822.
  10. ^ де Вильмерёй, Пьер (2019). «Небольшой адаптивный потенциал у птиц, находящихся под угрозой исчезновения». Текущая биология. 29 (5): 889-894. Дои:10.1016 / j.cub.2019.01.072.
  11. ^ King, K. C .; Лайвли, К. М. (июнь 2012 г.). «Ограничивает ли генетическое разнообразие распространение болезни в естественных популяциях хозяев?». Наследственность. 109 (4): 199–203. Дои:10.1038 / hdy.2012.33. ЧВК  3464021. PMID  22713998.
  12. ^ а б «Держитесь там: у коал низкое генетическое разнообразие». ScienceDaily. Получено 2018-06-06.
  13. ^ Франкхэм, Ричард; Баллоу, Джонатан Д.; Бриско, Дэвид А. (2002). Введение в генетику сохранения. Издательство Кембриджского университета.
  14. ^ Ворона, Джеймс Ф. (март 2010 г.). "Райт и Фишер об инбридинге и случайном дрейфе". Генетика. 184 (3): 609–611. Дои:10.1534 / генетика.109.110023. ЧВК  2845331. PMID  20332416.
  15. ^ «Низкая генетическая изменчивость». Актуальность эволюции: сохранение. evolution.berkeley.edu.
  16. ^ «Генный поток». Механизмы: процессы эволюции. evolution.berkeley.edu.
  17. ^ Тигано, Анна; Фризен, Вики Л. (2016-04-06). «Геномика локальной адаптации с потоком генов». Молекулярная экология. 25 (10): 2144–2164. Дои:10.1111 / mec.13606. ISSN  0962-1083. PMID  26946320.
  18. ^ «Введение в генетическое разнообразие». Фонд сохранения гепардов. 2002 г.. Получено 19 марта 2008.
  19. ^ «Монокультура и ирландский картофельный голод: случаи отсутствия генетической изменчивости». Музей палеонтологии Калифорнийского университета. Получено 8 мая 2018.
  20. ^ Matson, P.A .; Parton, W. J .; Power, A.G .; Свифт, М. Дж. (Июль 1997 г.). «Интенсификация сельского хозяйства и свойства экосистемы». Наука. 277 (5325): 504–9. CiteSeerX  10.1.1.484.4218. Дои:10.1126 / science.277.5325.504. PMID  20662149.
  21. ^ Андоу, Дэвид А. (1991). «Растительное разнообразие и реакция популяции членистоногих». Ежегодный обзор энтомологии. 36 (1): 561–586. Дои:10.1146 / annurev.en.36.010191.003021.
  22. ^ Вандермейер JH (1992). Экология выращивания культур. Издательство Кембриджского университета.
  23. ^ Риш С. (1980). «Динамика популяций нескольких травоядных жуков в тропической агроэкосистеме: эффект совмещения кукурузы, бобов и кабачков в Коста-Рике». Журнал прикладной экологии. 17 (3): 593–611. Дои:10.2307/2402639. JSTOR  2402639.
  24. ^ Тонхаска А., Бирн Д. Н. (1994). «Влияние диверсификации культур на травоядных насекомых: подход метаанализа». Экологическая энтомология. 19 (3): 239–244. Дои:10.1111 / j.1365-2311.1994.tb00415.x.
  25. ^ а б «Второй доклад о состоянии мировых генетических ресурсов животных для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства». Рим: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций. 2015 г.
  26. ^ Takala, S.L .; Плау, К. В. (сентябрь 2009 г.). «Генетическое разнообразие и разработка, тестирование и эффективность вакцины против малярии: профилактика и преодоление« вакцинорезистентной малярии »'". Иммунология паразитов. 31 (9): 560–573. Дои:10.1111 / j.1365-3024.2009.01138.x. ЧВК  2730200. PMID  19691559.
  27. ^ Peeters, M .; Aghokeng, A.F; Делапорте, Э. (октябрь 2010 г.). «Генетическое разнообразие среди подтипов вируса иммунодефицита человека-1 не-B в вирусной нагрузке и анализах устойчивости к лекарствам». Клиническая микробиология и инфекции. 16 (10): 1525–1531. Дои:10.1111 / j.1469-0691.2010.03300.x. PMID  20649800.
  28. ^ «Ученые обнаружили взаимодействие между генами и вирусами в крошечном океаническом планктоне». Национальный фонд науки. 23 марта 2006 г.. Получено 12 декабря, 2008.
  29. ^ Стивенс Т. (10 августа 1998 г.). «Исследование показывает, что смерть детенышей гепарда мало влияет на популяцию». Течения. Калифорнийский университет в Санта-Крус. Архивировано из оригинал 6 января 2001 г.. Получено 26 августа, 2020.
  30. ^ Филдс, Джонатан (29 мая 2007 г.). «Гепарды-обманщики, пойманные на ДНК». Новости BBC. Получено 12 декабря, 2008.
  31. ^ Pimm, S.L .; Доллар, л .; Басс, О. Л. (май 2006 г.). «Генетическое спасение пантеры Флориды». Сохранение животных. 9 (2): 115–122. Дои:10.1111 / j.1469-1795.2005.00010.x.
  32. ^ Kawabe, K .; Worawut, R .; Таура, С .; Shimogiri, T .; Nishida, T .; Окамото, С. (01.01.2014). "Генетическое разнообразие полиморфизмов D-петли мтДНК в лаосских коренных популяциях птиц". Азиатско-Австралазийский журнал наук о животных. 27 (1): 19–23. Дои:10.5713 / ajas.2013.13443. ЧВК  4093284. PMID  25049921.
  33. ^ Хобан, Шон (30 апреля 2014 г.). «Обзор полезности программного обеспечения моделирования популяций в молекулярной экологии». Молекулярная экология. 23 (10): 2383–2401. Дои:10.1111 / mec.12741. PMID  24689878.
  34. ^ разнообразие, измерение. "измерение видового разнообразия" (PDF).

внешняя ссылка