Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для молекулярной консервации в генетике см. Сохранение (генетика) . Для научного журнала см. Conservation Genetics (журнал) .
Часть серии по
Генетика
Гибридогенез в водных лягушках gametes.svg
 
Ключевые компоненты
История и темы
Исследовать
Персонализированная медицина
Персонализированная медицина

Генетика сохранения является междисциплинарным подполом популяционной генетики , что цели , чтобы понять динамику генов в популяциях , главным образом, чтобы избежать вымираний. Поэтому он применяет генетические методы для сохранения и восстановления биоразнообразия . Исследователи, занимающиеся генетикой сохранения, работают в самых разных областях, включая популяционную генетику, молекулярную экологию , биологию , эволюционную биологию и систематику . Генетическое разнообразиеявляется одним из трех основных уровней биоразнообразия, поэтому он имеет прямое значение для сохранения. Генетическая изменчивость влияет как на здоровье, так и на долгосрочную выживаемость популяций, поскольку снижение генетического разнообразия было связано со снижением приспособленности , например, с высокой смертностью молоди, замедлением роста популяции, [1] снижением иммунитета [2] и, в конечном итоге, более высоким риском исчезновения. [3] [4]

Генетическое разнообразие [ править ]

Генетическое разнообразие - это изменчивость генов у вида. Ряд средств может выражать уровень генетического разнообразия: наблюдаемая гетерозиготность , ожидаемая гетерозиготность, среднее количество аллелей на локус или процент полиморфных локусов.

Важность генетического разнообразия [ править ]

Генетическое разнообразие определяет потенциальную приспособленность популяции и, в конечном счете, ее долгосрочную устойчивость, потому что гены кодируют фенотипическую информацию. Риск исчезновения был связан с низким генетическим разнообразием, и несколько исследователей задокументировали снижение приспособленности популяций с низким генетическим разнообразием. Например, низкая гетерозиготность была связана с низкой выживаемостью молодых особей, замедленным ростом популяции, малым размером тела и сокращением продолжительности жизни взрослых особей. [1] [2] [5] [6] [7]

Гетерозиготность , фундаментальное измерение генетического разнообразия в популяционной генетике , играет важную роль в определении шансов того, что популяция переживет изменение окружающей среды, новые патогены, которые ранее не встречались, а также среднюю приспособленность популяции в течение последующих поколений. Гетерозиготность также глубоко связана в теории популяционной генетики с размером популяции (которая сама по себе имеет фундаментальное значение для сохранения). При прочих равных, небольшие популяции будут менее гетерозиготными  по всему геному,  чем сопоставимые, но более крупные популяции. Эта более низкая гетерозиготность (т.е. низкое генетическое разнообразие) делает небольшие популяции более восприимчивыми к проблемам, упомянутым выше.

В небольшой популяции в течение последующих поколений и без потока генов вероятность спаривания с близкими родственниками становится очень высокой, что приводит к депрессии инбридинга. - снижение подготовленности населения. Сниженная приспособленность потомков близкородственных особей фундаментально связана с концепцией гетерозиготности, поскольку потомки таких пар по необходимости менее гетерозиготны (более гомозиготны) по всему геному, чем аутбредные особи. Например, диплоидный человек с одним и тем же дедушкой по материнской и отцовской линии будет иметь гораздо более высокие шансы быть гомозиготным по любому локусу, унаследованному от отцовских копий геномов каждого из их родителей, чем индивид с неродственными дедушками по материнской и отцовской линии (каждый диплоидная особь наследует одну копию своего генома от матери и одну от отца).

Высокая гомозиготность (низкая гетерозиготность) снижает приспособленность, потому что она демонстрирует фенотипические эффекты рецессивных аллелей в гомозиготных сайтах. Отбор может способствовать поддержанию аллелей, которые снижают приспособленность гомозигот, примером из учебников является аллель серповидноклеточного бета-глобина, который поддерживается с высокой частотой в популяциях, где малярия является эндемической из-за высокоадаптивного гетерозиготного фенотипа (устойчивость к малярийный паразит Plasmodium falciparum ).

Низкое генетическое разнообразие также снижает возможности хромосомного кроссовера во время мейоза для создания новых комбинаций аллелей на хромосомах, эффективно увеличивая среднюю длину нерекомбинированных участков хромосом, унаследованных от родителей. Это, в свою очередь, снижает эффективность отбора в последующих поколениях для удаления аллелей, снижающих приспособленность, и продвижения аллелей, повышающих приспособленность, в популяции. (Простым гипотетическим примером могут быть два соседних гена  - A и B  - на одной хромосоме у человека. Если аллель в A способствует приспособленности «на один балл», а аллель в B снижает приспособленность «на один балл», но два гены наследуются вместе, тогда отбор не может отдавать предпочтение аллелю в точке A и штрафовать аллель в точке B. - фитнес-баланс «ноль баллов». Рекомбинация может поменять местами альтернативные аллели в A и B, позволяя отбору продвигать оптимальные аллели до оптимальных частот в популяции  - но только если есть альтернативные аллели для выбора!)

Фундаментальная связь между генетическим разнообразием и размером популяции в теории популяционной генетики может быть четко прослежена в классической популяционной генетике, измеряющей генетическое разнообразие, оценке Уоттерсона , в которой генетическое разнообразие измеряется как функция эффективного размера популяции и скорости мутаций . Учитывая взаимосвязь между размером популяции, частотой мутаций и генетическим разнообразием, очевидно, что важно распознавать популяции, подверженные риску потери генетического разнообразия, до того, как возникнут проблемы в результате утраты этого генетического разнообразия. Утраченное генетическое разнообразие может быть восстановлено только путем мутации.и поток генов. Если вид уже находится на грани исчезновения, скорее всего не будет популяций, которые можно было бы использовать для восстановления разнообразия за счет потока генов, и любая данная популяция будет (по определению) небольшой, и поэтому разнообразие будет накапливаться в этой популяции путем мутации намного медленнее, чем это было бы в сопоставимой, но более крупной популяции (поскольку существует меньше особей, чьи геномы мутируют в меньшей популяции, чем в большей популяции).

Соучастники вымирания [ править ]

  1. Инбридинг и инбридинговая депрессия. [8] [9]
  2. Накопление вредных мутаций [10]
  3. Снижение частоты гетерозигот в популяции или гетерозиготности , что снижает способность вида к эволюции, чтобы справляться с изменениями в окружающей среде.
  4. Аутбридинговая депрессия
  5. Фрагментированные популяции [11] [12] [13]
  6. Таксономические неопределенности, которые могут привести к изменению приоритетов природоохранных мероприятий [14]
  7. Генетический дрейф как главный эволюционный процесс вместо естественного отбора
  8. Единицы управления внутри видов
  9. Гибридизация с аллохтонными видами с постепенной заменой исходных эндемичных видов.

Методы [ править ]

Конкретные генетические методы используются для оценки геномов вида с точки зрения конкретных проблем сохранения, а также общей структуры популяции. [15] Этот анализ может быть выполнен двумя способами: с использованием текущей ДНК людей или исторической ДНК. [16]

Методы анализа различий между людьми и популяциями включают:

  1. Аллоферменты
  2. Полиморфизмы случайной длины фрагментов
  3. Полиморфизмы длин амплифицированных фрагментов
  4. Случайная амплификация полиморфной ДНК
  5. Однонитевой конформационный полиморфизм
  6. Мини-спутники
  7. Микроспутники
  8. Однонуклеотидные полиморфизмы
  9. Секвенирование ДНК

Эти разные методы сосредоточены на различных вариабельных участках геномов животных и растений. Требуемая конкретная информация определяет, какие методы используются и какие части генома анализируются. Например, митохондриальная ДНК животных имеет высокую скорость замещения, что делает ее полезной для выявления различий между людьми. Однако он наследуется только по женской линии, а митохондриальный геном относительно невелик. У растений митохондриальная ДНК имеет очень высокий уровень структурных мутаций, поэтому редко используется для генетических маркеров, поскольку вместо нее можно использовать геном хлоропласта . Другие сайты в геноме, подверженные высокой частоте мутаций, такие как главный комплекс гистосовместимости итакже часто используются микроспутники и мини- спутники .

Эти методы могут предоставить информацию о долгосрочном сохранении генетического разнообразия и разъяснить демографические и экологические вопросы, такие как таксономия. [15]

Другой метод - использование исторической ДНК для генетического анализа. Историческая ДНК важна, потому что позволяет генетикам понять, как виды реагировали на изменения условий в прошлом. Это ключ к пониманию реакции подобных видов в будущем. [16]

Методы использования исторической ДНК включают изучение сохранившихся останков, найденных в музеях и пещерах. [17] Музеи используются, потому что существует широкий спектр видов, доступных ученым во всем мире. Проблема с музеями состоит в том, что исторические перспективы важны, потому что понимание того, как виды реагировали на изменения условий в прошлом, является ключом к пониманию реакции подобных видов в будущем. [17] Свидетельства, найденные в пещерах, дают более долгую перспективу и не беспокоят животных. [17]

Другой метод, основанный на конкретной генетике человека, - это неинвазивный мониторинг, при котором используется извлеченная ДНК из органического материала, который человек оставляет после себя, например, из пера. [17] Это также позволяет не беспокоить животных и может предоставить информацию о поле, движениях, родстве и питании человека. [17]

Для коррекции генетических факторов, ведущих к исчезновению и риску исчезновения, можно использовать другие более общие методы. Например, при минимизации инбридинга и увеличении генетической изменчивости можно предпринять несколько шагов. Увеличение гетерозиготности за счет иммиграции, увеличение интервала между поколениями за счет криоконсервации или разведения от более старых животных, а также увеличение эффективного размера популяции за счет выравнивания размеров семьи - все это помогает минимизировать инбридинг и его последствия. [18] Вредные аллели возникают в результате мутаций, однако некоторые рецессивные могут стать более распространенными из-за инбридинга. [18] Вредные мутации, возникающие в результате инбридинга, могут быть удалены путем очистки, или естественный отбор. [18] Популяции, выращенные в неволе с намерением вернуться в дикую природу, страдают от адаптации к неволе. [19]

Инбридинговая депрессия, потеря генетического разнообразия и генетическая адаптация к неволе неблагоприятны в дикой природе, и многие из этих проблем могут быть решены с помощью вышеупомянутых методов, направленных на увеличение гетерозиготности. Помимо создания среды обитания, которая очень похожа на дикую природу, и фрагментации популяций, снижающей реакцию на отбор, также помогает снизить адаптацию к неволе. [20]

Решения по минимизации факторов, которые приводят к исчезновению и риску исчезновения, часто перекрываются, потому что сами факторы накладываются друг на друга. Например, вредные мутации добавляются к популяциям через мутации, однако вредные мутации, которые занимаются биологами-консерваторами, - это те, которые вызваны инбридингом, потому что это те, о которых можно позаботиться, уменьшив инбридинг. Здесь методы уменьшения инбридинга также помогают уменьшить накопление вредных мутаций.

Приложения [ править ]

Эти методы имеют широкое применение. Одно из применений этих конкретных молекулярных методов - определение видов и подвидов лососевых . [15] Гибридизацияявляется особенно важной проблемой для лососевых, и это имеет широкомасштабные природоохранные, политические, социальные и экономические последствия. В анализе мтДНК и аллоферментов головорезов форели гибридизация между аборигенными и неместными видами была показана как один из основных факторов, способствующих сокращению их популяций. Это привело к попыткам удалить некоторые гибридизированные популяции, чтобы коренные популяции могли более охотно размножаться. Подобные случаи влияют на все, от экономики местных рыбаков до более крупных компаний, таких как лесозаготовительные. Конкретные молекулярные методы привели к более тщательному анализу таксономических отношений, что является одним из факторов, которые могут привести к вымиранию, если неясны.

Последствия [ править ]

Новые технологии в природоохранной генетике имеют большое значение для будущего природоохранной биологии. На молекулярном уровне развиваются новые технологии. Некоторые из этих методов включают анализ мини-спутников и MHC . [15] Эти молекулярные методы имеют более широкий эффект от выяснения таксономических отношений, как в предыдущем примере, до определения лучших особей для повторного введения в популяцию для восстановления путем определения родства. Эти эффекты затем имеют еще более серьезные последствия. Сохранение видов имеет значение для людей в экономической, социальной и политической сферах. [15]В биологической сфере было показано, что повышенное генотипическое разнообразие способствует восстановлению экосистем, как это видно на примере сообщества трав, которое смогло противостоять нарушению покоя пасущихся гусей за счет большего генотипического разнообразия. [21] Поскольку разнообразие видов увеличивает функцию экосистемы, увеличение биоразнообразия с помощью новых генетических методов сохранения имеет более широкий эффект, чем раньше.

Краткий список исследований, которые может провести природоохранный генетик, включает:

  1. Филогенетическая классификация видов, подвидов, географических рас и популяций, а также меры филогенетического разнообразия и уникальности.
  2. Выявление гибридных видов, гибридизация в естественных популяциях и оценка истории и степени интрогрессии между видами.
  3. Популяционная генетическая структура естественных и управляемых популяций, включая определение эволюционно значимых единиц (ESU) и единиц управления для сохранения.
  4. Оценка генетической изменчивости внутри вида или популяции, включая небольшие популяции или популяции, находящиеся под угрозой исчезновения , и такие оценки, как эффективный размер популяции (Ne).
  5. Измерение влияния инбридинга и аутбридинга на депрессию , а также взаимосвязь между гетерозиготностью и показателями приспособленности (см . Фундаментальную теорему Фишера о естественном отборе ).
  6. Свидетельства нарушения выбора партнера и репродуктивной стратегии у нарушенных популяций.
  7. Криминалистические приложения, особенно для контроля торговли исчезающими видами.
  8. Практические методы мониторинга и максимального увеличения генетического разнообразия в рамках программ разведения в неволе и схем повторной интродукции, включая математические модели и тематические исследования.
  9. Вопросы сохранения, связанные с интродукцией генетически модифицированных организмов .
  10. Взаимодействие между загрязнителями окружающей среды и биологией и здоровьем организма, включая изменения в скорости мутаций и адаптацию к локальным изменениям в окружающей среде (например, промышленный меланизм ).
  11. Новые методы неинвазивного генотипирования .

См. Также [ править ]

  • Генетические ресурсы животных
  • Лесные генетические ресурсы
  • Состояние мировых генетических ресурсов животных для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства

Заметки [ править ]

  1. ^ а б Леберг, PL (1990-12-01). «Влияние генетической изменчивости на рост популяции: последствия для сохранения». Журнал биологии рыб . 37 : 193–195. DOI : 10.1111 / j.1095-8649.1990.tb05036.x . ISSN  1095-8649 .
  2. ^ а б Фергюсон, Мойра М; Драгущак, Ленор Р. (01.06.1990). «Наследственность - Реферат статьи: Устойчивость к болезням и ферментативная гетерозиготность радужной форели» . Наследственность . 64 (3): 413–417. DOI : 10.1038 / hdy.1990.52 . ISSN 0018-067X . PMID 2358369 .  
  3. ^ Фрэнкхэм, Ричард (2005-11-01). «Генетика и вымирание». Биологическая консервация . 126 (2): 131–140. DOI : 10.1016 / j.biocon.2005.05.002 .
  4. ^ Саккери, Илик; Кууссаари, Микко; Канкаре, Маария; Викман, Пиа; Фортелиус, Вильгельм; Хански, Илкка (1998-04-02). «Инбридинг и исчезновение в метапопуляции бабочек». Природа . 392 (6675): 491–494. DOI : 10.1038 / 33136 . ISSN 0028-0836 . 
  5. ^ Hanski, Ilkka; Саккери, Илик (25 апреля 2006 г.). «Изменения на молекулярном уровне влияют на рост популяции в метапопуляции бабочек» . PLOS Биология . 4 (5): e129. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0040129 . ISSN 1545-7885 . PMC 1440940 . PMID 16620151 .   
  6. ^ Ланде, Р. (1988-09-16). «Генетика и демография в биологической консервации». Наука . 241 (4872): 1455–1460. DOI : 10.1126 / science.3420403 . ISSN 0036-8075 . PMID 3420403 . S2CID 6048686 .   
  7. ^ Дрейтон, JM; Hunt, J .; Brooks, R .; Дженнионс, доктор медицины (01.05.2007). «Звучит иначе: инбридинговая депрессия по признакам, отобранным половым путем, у сверчка Teleogryllus Commodus» . Журнал эволюционной биологии . 20 (3): 1138–1147. DOI : 10.1111 / j.1420-9101.2006.01286.x . ISSN 1420-9101 . PMID 17465923 .  
  8. ^ Фрэнкхэм, Ричард (1995). «Консервационная генетика». Ежегодный обзор генетики . 29 (1995): 305–27. DOI : 10.1146 / annurev.ge.29.120195.001513 . PMID 8825477 . 
  9. ^ Charlesworth, D; Чарльзуорт, Б. (1987-11-01). «Инбридинговая депрессия и ее эволюционные последствия». Ежегодный обзор экологии и систематики . 18 (1): 237–268. DOI : 10.1146 / annurev.es.18.110187.001321 . ISSN 0066-4162 . 
  10. ^ Линч, Майкл; Конери, Джон; Бургер, Рейнхард (1995-01-01). «Накопление мутаций и исчезновение малых популяций». Американский натуралист . 146 (4): 489–518. DOI : 10.1086 / 285812 . JSTOR 2462976 . S2CID 14762497 .  
  11. ^ Ralls, K .; Brugger, K .; Баллоу, Дж. (1979-11-30). «Инбридинг и смертность молоди в небольших популяциях копытных». Наука . 206 (4422): 1101–1103. DOI : 10.1126 / science.493997 . ISSN 0036-8075 . PMID 493997 .  
  12. ^ Вилли, Ивонн; ван Бускерк, Джош; Хоффманн, Ари А. (01.01.2006). «Пределы адаптивного потенциала малых популяций». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 37 : 433–458. DOI : 10.1146 / annurev.ecolsys.37.091305.110145 . JSTOR 30033839 . 
  13. ^ Vrijenhoek, RC (1994-01-01). «Генетическое разнообразие и приспособленность в небольших популяциях». In Loeschcke, Dr V .; Джайн, д-р СК; Томюк, д-р Дж. (Ред.). Сохранение генетики . EXS. Birkhäuser Basel. С. 37–53. DOI : 10.1007 / 978-3-0348-8510-2_5 . ISBN 9783034896573.
  14. Перейти ↑ Haig, Susan M. (1998). «Молекулярный вклад в сохранение» (PDF) . Экология . 79 (2): 413–25. DOI : 10,1890 / 0012-9658 (1998) 079 [0413: MCTC] 2.0.CO; 2 .
  15. ^ а б в г д Хейг
  16. ^ a b Уэйн, Роберт; Морен, Филипп (2004). «Консервационная генетика в новую молекулярную эпоху» . Границы экологии и окружающей среды . 2 (2): 89–97. DOI : 10,1890 / 1540-9295 (2004) 002 [0089: CGITNM] 2.0.CO; 2 . ISSN 1540-9295 . 
  17. ^ a b c d e Роберт, стр. 89–97.
  18. ^ a b c ( Фрэнкхэм, 1995 )
  19. ^ Вудворт, Линн; Монтгомери, Маргарет; Бриско, Дэвид; Франкхэм, Ричард (2002). «Быстрое генетическое ухудшение в неволе популяций: причины и последствия для сохранения». Сохранение генетики . 3 (3): 277–88. DOI : 10,1023 / A: 1019954801089 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  20. ^ Монтгомери
  21. ^ Фрэнкхэм, Ричард (2005). «Восстановление экосистем за счет генотипического разнообразия» (PDF) . Наследственность . 95 (3): 183. DOI : 10.1038 / sj.hdy.6800706 . PMID 16049423 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.07.2016 . Проверено 5 июня 2016 .  

Ссылки [ править ]

  • Avise, John C; Хамрик Джеймс Л., ред. (1996-01-31). Сохранение генетики . Springer. ISBN 978-0-412-05581-2.
  • Фрэнкхэм, Ричард (2003). «Генетика и биология сохранения» . Comptes Rendus Biologies . 326 : S22 – S29. DOI : 10.1016 / S1631-0691 (03) 00023-4 . PMID  14558445 .
  • Аллендорф, ФВ; Дж. Луйкарт (2007). Сохранение и генетика популяций . Вили-Блэквелл. п. 642.

Внешние ссылки [ править ]

  • Что такое генетика сохранения?
  • Наука
  • Генетика
  • Блэквелл - синергия
  • Отделения UTM
  • UWYO
  • PNAS
  • Наука
  • ESF