Ekologia molekularna wykład 4
Zróżnicowanie między populacjami
Przyczyny odchyleń od HWE Czynniki demograficzne nielosowe kojarzenie wsobność (inbred) struktura genetyczna populacji (subpopulacje) migracje Czynniki ewolucyjne działanie doboru mutacje Czynniki losowe dryf wykład 3/3
Heterozygotyczność =proporcja heterozygot w populacji. Utożsamiana ze zmiennością genetyczną, jeden z podstawowych parametrów w ekologii molekularnej. Interpretacja z punktu widzenia osobnika: Prawdopodobieństwo, że jest heterozygotą w danym locus Aa Jak obliczyć heterozygotyczność? Sposób 1. Z prawa H-W: p2 + 2pq + q2 = 1 2pq udział heterozygot Proste dla 2 alleli, im więcej alleli tym bardziej skomplikowane (np. 6 alleli 21 kombinacji) wykład 4/4
Heterozygotyczność Sposób 2. Z frekwencji alleli He= xi frekwencja allelu i m liczba alleli Kiedy heterozygotyczność jest największa? gdy p1 = p2 = Dla 10 alleli przy p=0.1, HE=0.9 Uwaga. Przy liczeniu nie bierzemy pod uwagę frekwencji genotypów tylko frekwencję alleli wykład 4/5
Statystyki F zmienność wewnątrz populacji lokalnych obs=hi exp=hs zmienność między populacjami lokalnymi zmienność całkowita (całej metapopulacji) exp=ht wykład 4/6
liczba alleli = 2 x liczba genotypów Statystyki F: przykład AA Aa aa p q populacja 1 125 250 125 0.5 0.5 populacja 2 50 30 20 0.65 0.35 populacja 3 100 500 400 0.35 0.65 H obs Hexp Fis = (Hobs-Hexp) / Hexp_ pop1 250/500 = 0.5 2 x 0.5 x 0.5 = 0.5 (0.5-0.5)/0.5=0 pop2 30/100 = 0.3 2 x 0.65 x 0.3 = 0.46 (0.46-0.3)/0.46=0.341 pop3 500/1000=0.5 2 x 0.35 x 0.65 = 0.46 (0.46-0.5)/0.46= -0.099 wykład 4/7
Statystyki F: przykład Fis (współczynnik wsobności) mniejsza liczba heterozygot niż oczekiwana sugeruje inbreeding większa outbreeding (mechanizm przeciw kojarzeniu wsobnemu) Fis pop1 (0.5-0.5)/0.5 = 0 H obs = H exp pop2 (0.46-0.3)/0.46 = 0.341 H obs < H exp pop3 (0.46-0.5)/0.46 = -0.099 H obs > H exp wykład 4/8
Statystyki F Heterozygotyczność w populacjach HI obserwowana heterozygotyczność w subpopulacjach liczymy z frekwencji alleli H S oczekiwana heterozygotyczność w subpopulacjach H T oczekiwana heterozygotyczność w całej populacji wykład 4/9
Statystyki F F IS (współczynnik inbredu) spadek heterozygotyczności w wyniku nielosowych kojarzeń w subpopulacjach Hs Hi Fis= Hs F ST spadek heterozygotyczności w wyniku podziału na subpopulacje Ht Hs Fst= Ht F IT łączny spadek heterozygotyczności wywołany nielosowymi kojarzeniami w subpopulacjach i między subpopulacjacmi Ht Hi Fit= Ht
Statystyki F HI H obs pop1 pop2 pop3 250/500 = 0.5 30/100 = 0.3 500/1000=0.5 Hexp 2 x 0.5 x 0.5 = 0.5 2 x 0.65 x 0.3 = 0.46 2 x 0.35 x 0.65 = 0.46 średnia obserwowana heterozygotyczność w subpopulacjach HI = (Hobs1 * N1 + Hobs2 * N2 + Hobs3 * N3) / Ncałkowite =(0.5 x 500 + 0.3* 100 + 0.5* 1000)/ 1600 = 0.4875 HS średnia oczekiwana heterozygotyczność w subpopulacjach HS = (Hexp1 * N1 + Hexp2 * N2 + Hexp3 * N3) / Ncałkowite =(0.5 x 500 + 0.46* 100 + 0.46* 1000)/ 1600 = 0.4691 HT średnia oczekiwana heterozygotyczność w całej populacji wyliczona na podstawie uśrednionego p i q dla subpopulacji wykład 4/11
Statystyki F HI = 0.4875 HS = 0.4691 HT = 0.4858 Statystyki F (wreszcie!) Fis = (HS HI) / HS = - 0.0393 Fst = (HT HS) / HT = 0.0344 Fit = (HT HI) / HT = -0.0036 AA Aa aa 1 125 250 125 2 50 30 20 3 100 500 400 Interpretacja 3.4% (Fst=0.034) całkowitej zmienności genetycznej można przypisać podziałowi na subpopulacje Cała populacja nie wykazuje sygnału inbredu (Fit ~ 0) W populacji 2 widać inbred, w populacji 3 namiar heterozygot wykład 4/12
Fst w praktyce MHC mikrosatelity FST=0.093 FST=0.066 42 6 07 0. 0 0. TAŁTY 1 12 0. URWITAŁT 9 06 0. 2 07 0. 7 08 0. Kloch et al., 2010, Mol.Ecol PILCHY wykład 4/13
Współczynnik Fst: struktura populacji heterozygotyczność obserwowana Fst 1- heterozygotyczność oczekiwana Miara zróżnicowania populacji na skutek struktury genetycznej Określa swobodę przepływu genów między populacjami Odpowiada standaryzowanej wariancji częstości alleli między populacjami Interpretacja wartości F ST (Wright) Jaki % zmienności między populacjami można wyjaśnić strukturą (podziałem na subpopulacje) 0.00-0.05 swobodny przepływ genów 0.05-0.15 umiarkowane zróżnicowanie 0.15-0.25 wysokie zróżnicowanie >0.25 populacje izolowane wykład 4/14
Izolacja przez dystans (IBD) Fst Fst=0.01 Fst=0.11 odległość między populacjami (km) Fst=0.08 Jeżeli przepływ genów spada z odległością, zróżnicowanie wzrasta z odległością Brak IBD w przypadku niedawnej ekspansji (mało czasu na zróżnicowanie) wykład 4/15
Izolacja przez dystans (IBD) Im większa odległość, tym większe zróżnicowanie między lokalnymi populacjami wykład 9/16
Czynnik wpływające na strukturę populacji W zależności od biologii organizmów oczekujemy różnych poziomów zróżnicowania genetycznego Rośliny zapylane przez osiadłe owady powinny mieć większe zróżnicowanie między populacjami i małą zmienność wewnątrzpopulacyjną wiatropylne powinny wykazywać małe różnice międzypopulacyjne Zwierzęta Zdolne do dalekich dyspersji powinny wykazywać małe zróżnicowanie w porównaniu z organizmami osiadłymi. wykład 4/17
Efekt Walhunda Występuje, gdy: Mamy dwie izolowane populacje w równowadze H-W różniące się częstościami alleli, ale myślimy, że pobieramy próbę z jednej populacji tak nam się wydaje populacja 1 populacja 2 razem p 0.9 0.1 (0.1+0.9)/2 = 0.5 q 0.1 0.9 (0.9+0.1)/2 = 0.5 2x0.9x0.1 = 0.18 2x0.1x0.9 = 0.18 2 x 0.5 x 0.5 = 0.5 proporcja heterozygot (2pq) taki jest faktyczny układ Pozorny niedobór heterozygot wynika z podziału populacji na dwie subpopulacje! wykład 4/18
Inbred Współczynnik Fis określa prawdopodobieństwo, że dwa allele w danym locus u jednego osobnika są identyczne przez pochodzenie. allele autozygotyczne identyczne przez pochodzenie allele allozygotyczne nieidentyczne przez pochodzenie Aa rodzice gamety A AA a A Aa A a samozapłodnienie potomstwo Aa AA aa homozygoty autozygotyczne A a a A A homozygoty allozygotyczne wykład 4/19
Inbred: skutki Cechą charakterystyczną inbredu jest nadmiar homozygot: Hobs < Hexp W populacjach o skończonej wielkości inbred wzrasta z pokolenia na pokolenie nawet przy losowym kojarzeniu wykład 4/20
Inbred: skutki Rodzaj systemu kojarzenia wpływa na wartość współczynnika wsobności wykład 4/21
Bottleneck Można go wykryć badając zmiany frekwencji alleli między pokoleniami. Niska zmienność w populacji sugeruje bottleneck. wykład 4/22
Bottleneck Skutki bottlenecku zależą od: stopnia redukcji liczebności ile pokoleń trwał spadek liczebności tempa migracji Odzyskiwanie heterozygotyczności Odzyskiwanie heterozygotyczności wykład 4/23
Migracje Uwaga W genetyce populacyjnej taki sam efekt daje przemieszczenie osobników, jak tylko ich gamet (np. nasiona) wykład 4/24
Rodzaje migracji okresowość raz w życiu ( bilet w jedną stronę ) roczne dobowe odległość duży dystans lokalne migracje w czasie: uśpienie, formy przetrwalnikowe mały dystans okresowe (dobowe) Duży dystans, jednorazowe motyl monarcha Duży dystans, okresowe mały dystans coroczne (rozród) kopytne w Afryce
Model metapopulacji źródło-ujście wyspowy steppingstone (2D) metapopulacja steppingstone (3D) wykład 4/26
Migracja jednokierunkowa pq m p* q* Po t pokoleniach, przy tempie migracji na pokolenie m, częstość allelu A w małej populacji (wyspowej) wynosi: pt = p* + (1-m)t (p0-p*) częstość allelu p powoli dąży do wartości p* Proces ten przypomina pojawianie się mutacji w populacji wyspowej, ale jest szybszy wykład 4/27
Model wyspowy Populacje są duże (można zaniedbać dryf) Takie samo tempo migracji między każdą parą populacji p1 m/3 p2 m/3 m/3 p3 pt = p + (1-m)t (p0-p) gdzie p to średnia częstość allelu A w subpopulacjach =(p1 + p2 + p3)/3 Matematycznie równania są identyczne, ale trzeba pamiętać, że ten model uwzględnia też migracje powrotne wykład 4/28
Migracje a dywergencja Ze współczynnika Fst można wyliczyć tempo migracji Nm = efektywna liczba migrantów na pokolenie Fst = 1 4Nm + 1 1 1 Nm= * Fst-1 4 Wnioski Wystarczy 1 migrant na pokolenie by populacje nie różnicowały się pod wpływem dryfu. Migracja jest siłą przeciwdziałającą dryfowi zmniejsza dywergencję między populacjami. Wpływ liczby migrantów na pokolenie (Nm) na częstość alleli
Migracje a dywergencja Allendorf and Phelps (1981)
Szacowanie przepływu genów Problemy z Nm: zakłada brak doboru i mutacji szansa migracji między dowolnymi dwoma populacjami taka sama (niezgodne z IBD) nie uwzględnia innych procesów np. bottleneck Przykład Dineutus assimilis (krętakowate) Nurnberger i Harrison, 1995 Zbadano tempo migracji między czterema zbiornikami Na podstawie Fst Nm wyniosło 2.12 badanie CMR pokazało, że średnio migruje 8 osobników Przyczyną rozbieżności są regularne bottlenecki w każdym zbiorniku zawyżone Fst wykład 4/31
Testy przypisania Przypisanie osobników do populacji, z której prawdopodobnie pochodzą, na podstawie profilu genetycznego tej populacji. Obliczanie algorytmem ML (maximum likelihood) lub Bayesowskim Najczęściej wykorzystuje się program STRUCTURE (Pritchard i in. 2000). Zaleta: nie trzeba zakładać a priori liczby grup wykład 4/32
p-stwo Testy przypisania 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 liczba grup (populacji) Biedrzycka, praca doktorska wykład 4/33
Podsumowanie mutacje rozmnażanie płciowe dobór równoważący migracje zmienność genetyczna dobór kierunkowy bottleneck inbred dryf niskie N / Ne zwiększają zmniejszają wykład 4/34
Następne zajęcia 8 listopada