Ландшафтная генетика
Ландшафтная генетика — научная дисциплина, сочетающая популяционную генетику и ландшафтную экологию . В широком смысле оно охватывает любое исследование, в котором анализируются генетические данные популяций растений или животных в сочетании с данными об особенностях ландшафта и качестве матрицы , в которой проживает отобранная популяция. Это позволяет анализировать микроэволюционные процессы, влияющие на виды, в свете пространственных закономерностей ландшафта, обеспечивая более реалистичное представление о том, как популяции взаимодействуют с окружающей средой . [1] Ландшафтная генетика пытается определить, какие особенности ландшафта являются барьерами для расселения и потока генов , как антропогенные изменения ландшафта влияют на эволюцию популяций, динамику источника-поглотителя данной популяции и как болезни или инвазивные виды распространяются по ландшафтам. [2]
Ландшафтная генетика отличается от областей биогеографии и филогеографии тем, что предоставляет информацию в более тонких временных и пространственных масштабах (т. е. на уровне индивидуальных генетических вариаций внутри популяции). Поскольку ландшафтная генетика фокусируется на отборе проб особей , она имеет то преимущество, что не требует субъективного определения отдельных популяций перед анализом. Генетические инструменты используются для обнаружения резких генетических различий между людьми внутри популяции, а статистические инструменты используются для корреляции этих генетических разрывов с особенностями ландшафта и окружающей среды. [3] Результаты исследований ландшафтной генетики потенциально могут иметь важное применение в природоохранной биологии и практике управления земельными ресурсами . [3]
История [ править ]
Ландшафтная генетика возникла как отдельная дисциплина после оригинальной статьи Манеля и др. под названием «Ландшафтная генетика: сочетание ландшафтной экологии и популяционной генетики». появилась в журнале «Тенденции в экологии и эволюции» в 2003 году. Согласно этой статье, концепция о том, что ландшафтные модели влияют на распределение организмов, восходит к 18 и 19 векам в трудах Огюстена Пирамуса де Кандоля и Альфреда Рассела Уоллеса . [3] Современная область является междисциплинарной и объединяет не только популяционную генетику и ландшафтную экологию, но и область пространственной статистики . [4] По состоянию на 2008 год в различных генетических и экологических журналах было опубликовано более 655 статей по этой теме . [2]
Достижения и приложения [ править ]
Ландшафтная генетика продвинула экологическую и эволюционную теорию , облегчив понимание того, как поток генов и адаптация происходят в реальных гетерогенных ландшафтах. Это также позволило оценить функциональную связь между ландшафтами. [4] Выяснение особенностей ландшафта, которые действуют как барьеры или способствуют расселению, может помочь в строительстве или сохранении коридоров дикой природы , соединяющих фрагментированные ландшафты. Ландшафтная генетика также может помочь предсказать, как болезни будут распространяться по ландшафту или как предлагаемые меры управления повлияют на популяции. Наконец, генетика ландшафта может помочь предсказать, насколько хорошо популяции адаптируются к продолжающимся глобальным изменениям . [2]
Методы [ править ]
маркеры Генетические
Молекулярные маркеры генетического разнообразия, такие как микросателлиты ДНК , митохондриальная ДНК , полиморфизм длины амплифицированных фрагментов и аллоферменты , тестируются на случайных особях определенного вида на территории. [2] Эти маркеры используются для определения генотипа (генетической структуры) испытуемых.
Ландшафт и особенности окружающей среды
К особенностям ландшафта относятся состав ландшафта (обилие и разнообразие типов участков ), конфигурация ландшафта (как эти участки расположены в пространстве) и качество матрицы ( пространство в ландшафте между участками обитания данного вида). [5] ). Топография , высота над уровнем моря , типы среды обитания и потенциальные барьеры, такие как реки или дороги, являются примерами ландшафтных переменных . [6]
Статистические инструменты [ править ]
Выявление генетических закономерностей [ править ]
Различные статистические инструменты используются для выявления генетических закономерностей на основе собранных генетических маркеров. Часто используются методы, группирующие особей в субпопуляции на основе генетической дифференциации или расстояния, такие как индекс фиксации (FST ) и байесовские методы присвоения . Однако поскольку особи иногда распределены равномерно, а не пространственно сгруппированы по ландшафту, эти методы ограничены, и разрабатываются альтернативные методы. [2]
закономерностей с ландшафтом Корреляция генетических
Статистические инструменты, такие как тест Мантеля или частичный тест Мантеля, обычно используются для корреляции генетических закономерностей с особенностями ландшафта. модели линейной регрессии и методы ординации . Также распространены [2] Географические информационные системы (ГИС) можно использовать для визуализации генетических закономерностей в пространстве путем нанесения генетических данных на карту ландшафта. [3]
Пример [ править ]
Исследование, опубликованное в 2012 году. [7] проанализировали ландшафтную генетику белохвостых оленей в Висконсине и Иллинойсе . Они извлекли ДНК из лимфатических узлов 2069 добытых оленей в 64 поселках. использовали пятнадцать микросателлитных маркеров Для генотипирования . Байесовский тест распределения популяций не выявил отдельных субпопуляций на основе генетических данных. Коррелограммы использовались для выяснения мелкомасштабной социальной структуры и обнаружили, что более густо засаженные деревьями и фрагментированные поселки имеют большее генетическое родство между отдельными оленями. Пространственный анализ главных компонент использовался для выяснения широкомасштабных связей населения. Частичные тесты Мантеля выявили корреляцию между генетической дистанцией и географическими барьерами, особенно дорогами и реками. Однако это не были абсолютными барьерами и не делили оленей на отдельные субпопуляции.
Обнаружение высокой генетической связи среди отобранных оленей имеет значение для управления при определении количества вылова и целевых показателей популяции. Обнаружение высокой генетической связи также имеет значение для распространения хронических истощающих заболеваний среди оленей.
Субдисциплины [ править ]
Генетика пейзажей морских
Генетика морских пейзажей — это раздел ландшафтной геномики, который ученые начали использовать в 2006 году. [8] Появление этой области произошло благодаря ландшафтной генетике, достижениям в области генетических лабораторных технологий и данным о морской среде с более высоким разрешением. [9] Как и генетика ландшафтов, генетика морских ландшафтов является междисциплинарной областью. Области знаний, используемые в генетике морских ландшафтов, включают океанографию, экологию и популяционную генетику. [8] [10] Морские пейзажи отличаются от ландшафтов разной связностью водной среды. Токи позволяют увеличить связь в некоторых местах и ограничивают связь в других. Многие организмы, живущие в океане, полагаются на течения для перемещения своих гамет и личинок, что называется расселением. Наличие переменной дисперсии приводит к образованию субпопуляций, имеющих разную структуру; следовательно, субпопуляции подвергаются различному давлению отбора, испытывают разные скорости дрейфа и обладают уникальным генетическим разнообразием. [11]
Геномика морских пейзажей — это инструмент, который использует генетические маркеры в сочетании с текущими закономерностями, чтобы лучше понять процесс расселения. Еще одним ключевым отличием при изучении морских систем является то, что многие животные имеют чрезвычайно большие размеры популяций. Значительные размеры популяций в морской среде обеспечивают больший адаптивный потенциал при большей эффективной численности популяции. [12] это означает, что доля населения, которая воспроизводит и передает гены, увеличивается. Большая популяция будет иметь большее влияние от отбора, чем от дрейфа, поэтому морские организмы с большей вероятностью будут иметь более высокий уровень местной адаптации. При анализе морских ландшафтов генетические данные позволяют лучше понять и отслеживать виды, когда полная история их жизни неизвестна или не может быть изучена с помощью экологии. [1] Популяционная генетика включает в себя множество теорий и методов, все из которых необходимо учитывать при анализе морских и ландшафтных ландшафтов. Существует несколько способов сбора генетической информации. Популярными методами в генетике морских пейзажей являются однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), митохондриальная ДНК, случайные амплифицированные полиморфные ДНК, микросателлиты, аллозимы и полные геномы. [2] В прошлом сбор и обработка достаточного количества образцов были трудоемким процессом. Секвенирование нового поколения помогло расширить область ландшафтной геномики, поскольку оно позволяет быстро секвенировать чрезвычайно большие геномы. [13]
Геномика морских пейзажей может применяться к морской жизни с различной историей жизни, чтобы ответить на различные вопросы о генетическом влиянии на динамику популяций. Анализ сидячих организмов, таких животных, как моллюски, которые остаются в одном и том же месте всю свою жизнь, можно легко проанализировать, чтобы лучше понять эволюционное давление окружающей среды. Один из примеров: Salmoni et al. [14] использовали данные окружающей среды и генетический анализ, чтобы идентифицировать ген жароустойчивости у кораллов. Многие другие исследования были проведены на таких организмах, как устрицы, [15] морская трава, [16] и мидии. [17] Подвижные животные, животные, которые могут передвигаться, также изучались с помощью геномики морских пейзажей. ДиБаттиста и его команда [18] изучили, как гидродинамика влияет на распределение личинок окуня, и смогли охарактеризовать связь между популяциями. Исследования, в которых используется геномика морских пейзажей, могут быть использованы в усилиях по сохранению и восстановлению. Этот тип исследований может помочь определить устойчивых особей или классифицировать территории, которые лучше всего подходят для морских охраняемых территорий из-за их экологического назначения.
геномика Ландшафтная
Ландшафтная геномика также коррелирует генетические данные с ландшафтными данными, но генетические данные поступают из множества локусов (мест на хромосоме) по всему геному организма, как и в популяционной геномике . Ландшафтная генетика обычно измеряет менее дюжины различных микросателлитов в организме, тогда как ландшафтная геномика часто измеряет полиморфизмы отдельных нуклеотидов в тысячах локусов. [19] Это позволяет идентифицировать локусы- выбросы , которые могут находиться в стадии отбора . Корреляция с данными о ландшафте позволяет выявить ландшафтные факторы, способствующие генетической адаптации. Эта область расширяется благодаря достижениям в методах секвенирования нового поколения . [4]
Подводные камни [ править ]
Будучи новой и быстро развивающейся междисциплинарной областью, в которой не было четко выявленных передовых практик , она имела ряд недостатков как в дизайне исследования, так и в его интерпретации. [20] Публикация 2016 г. [2] выявил четыре типичные ошибки исследований в области ландшафтной генетики, которые следует исправить. К ним относятся предположение, что поток генов всегда выгоден, чрезмерное обобщение результатов, игнорирование других процессов, влияющих на генетическую структуру популяций, и ошибочное использование количественных методов для надежного дизайна исследования. [20] В частности, авторам было предложено сообщить о своей схеме выборки , воспроизводимости молекулярных данных, а также подробную информацию о наборе пространственных данных и использованном пространственном анализе . [2] Поскольку влияние ландшафта на поток генов не является универсальным, общие обобщения сделать невозможно, и необходимы исследования конкретных видов. [2]
Многие из этих ошибок возникают из-за междисциплинарного характера ландшафтной генетики, и их можно было бы избежать при более тесном сотрудничестве между специалистами в области популяционной генетики, ландшафтной экологии, пространственной статистики и географии . [6]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Холдереггер, Рольф; Вагнер, Хелен Х. (1 августа 2006 г.). «Краткое руководство по ландшафтной генетике» . Ландшафтная экология . 21 (6): 793–796. дои : 10.1007/s10980-005-6058-6 . ISSN 1572-9761 . S2CID 5769696 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Сторфер, Эндрю; Мерфи, Мелани А.; Спир, Стивен Ф.; Холдереггер, Рольф; Уэйтс, Лизетт П. (2010). «Ландшафтная генетика: где мы сейчас?» . Молекулярная экология . 19 (17): 3496–3514. дои : 10.1111/j.1365-294X.2010.04691.x . ISSN 1365-294X . ПМИД 20723061 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Манель, Стефани; Шварц, Майкл К; Луикарт, Гордон; Таберле, Пьер (1 апреля 2003 г.). «Ландшафтная генетика: сочетание ландшафтной экологии и популяционной генетики» . Тенденции в экологии и эволюции . 18 (4): 189–197. дои : 10.1016/S0169-5347(03)00008-9 . ISSN 0169-5347 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Манель, Стефани; Холдереггер, Рольф (01 октября 2013 г.). «Десять лет ландшафтной генетики» . Тенденции в экологии и эволюции . 28 (10): 614–621. дои : 10.1016/j.tree.2013.05.012 . ISSN 0169-5347 . ПМИД 23769416 .
- ^ Вагнер, Хелен Х.; Холдереггер, Рольф (1 марта 2008 г.). «Ландшафтная генетика» . Бионаука . 58 (3): 199–207. дои : 10.1641/B580306 . hdl : 1807/75562 . ISSN 0006-3568 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сторфер, А; Мерфи, Массачусетс; Эванс, Дж.С.; Гольдберг, CS; Робинсон, С; Копье, Сан-Франциско; Деццани, Р; Делмель, Э; Вирлинг, Л. (2007). «Введение «ландшафта» в ландшафтную генетику» . Наследственность . 98 (3): 128–142. дои : 10.1038/sj.hdy.6800917 . ISSN 1365-2540 . ПМИД 17080024 .
- ^ Робинсон, Стейси Дж.; Сэмюэл, Майкл Д.; Лопес, Дэвин Л.; Шелтон, Пол (2012). «Прогулка никогда не бывает случайной: тонкие ландшафтные эффекты формируют поток генов в постоянной популяции белохвостых оленей на Среднем Западе США». Молекулярная экология . 21 (17): 4190–4205. дои : 10.1111/j.1365-294X.2012.05681.x . ISSN 1365-294X . ПМИД 22882236 . S2CID 17905176 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Селькое, Калифорния; Д'Алоя, CC; Крэндалл, Эд; Яккей, М; Лиггинс, Л; Пуриц, Дж.Б.; фон дер Хейден, С; Тунен, Р.Дж. (28 июля 2016 г.). «Десятилетие генетики морских ландшафтов: вклад в базовую и прикладную морскую связь» . Серия «Прогресс в области морской экологии» . 554 : 1–19. дои : 10.3354/meps11792 . hdl : 10179/17416 . ISSN 0171-8630 .
- ^ Лиггинс, Либби; Тремл, Эрик А.; Ригинос, Синтия (2019), «Геномика морского пейзажа: контекстуализация адаптивных и нейтральных геномных вариаций в океанической среде» , Популяционная геномика , Cham: Springer International Publishing, стр. 171–218, doi : 10.1007/13836_2019_68 , ISBN 978-3-030-37935-3 , S2CID 213340840 , получено 21 ноября 2022 г.
- ^ Холдереггер, Рольф; Вагнер, Хелен Х. (1 марта 2008 г.). «Ландшафтная генетика» . Бионаука . 58 (3): 199–207. дои : 10.1641/b580306 . hdl : 1807/75562 . ISSN 1525-3244 . S2CID 198156341 .
- ^ Балкенхол, Нико; Дуданец, Рэйчел Ю.; Крутовский Константин Владимирович; Джонсон, Джереми С.; Кэрнс, Дэвид М.; Зегельбахер, Гернот; Селкое, Кимберли А.; фон дер Хейден, Софи; Ван, Ян Дж. (2017), «Ландшафтная геномика: понимание взаимосвязи между экологической гетерогенностью и геномными характеристиками популяций» , Population Genomics , Cham: Springer International Publishing, стр. 261–322, doi : 10.1007/13836_2017_2 , ISBN 978-3-030-04587-6 , получено 21 ноября 2022 г.
- ^ Ригинос, Синтия; Крэндалл, Эрик Д.; Лиггинс, Либби; Бонгертс, Пим; Тремл, Эрик А. (6 июля 2016 г.). «Навигация по течениям геномики морских пейзажей: как пространственный анализ может расширить популяционные геномные исследования» . Современная зоология . 62 (6): 581–601. дои : 10.1093/cz/zow067 . ISSN 1674-5507 . ПМК 5804261 . ПМИД 29491947 .
- ^ Реллстаб, Кристиан; Гугерли, Феликс; Эккерт, Эндрю Дж.; Хэнкок, Анджела М.; Холдереггер, Рольф (26 августа 2015 г.). «Практическое руководство по анализу экологических ассоциаций в ландшафтной геномике» . Молекулярная экология . 24 (17): 4348–4370. дои : 10.1111/mec.13322 . ISSN 0962-1083 . ПМИД 26184487 . S2CID 27067681 .
- ^ Селмони, Оливер; Леселье, Гаэль; Магалон, Элен; Вильола, Лоран; Бензони, Франческа; Пиньон, Кристоф; Йост, Стефан; Берто-Леселье, Вероник (12 мая 2020 г.). «Геномика морских пейзажей выявила потенциальные молекулярные мишени для адаптации к тепловому стрессу у трех видов кораллов» . дои : 10.1101/2020.05.12.090050 . hdl : 10754/667637 . S2CID 218644018 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Бернатчес, Саймон; Сюэреб, Аманда; Лапорт, Мартин; Бенестан, Лаура; Стивс, Ройс; Лафламм, Марк; Бернатчес, Луи; Маллет, Мартин А. (26 декабря 2018 г.). «Морская геномика восточной устрицы ( Crassostrea Virginica ) вдоль атлантического побережья Канады» . Эволюционные приложения . 12 (3): 587–609. дои : 10.1111/eva.12741 . ISSN 1752-4571 . ПМК 6383708 . ПМИД 30828376 . S2CID 67862683 .
- ^ Янке, Марлен; Йонссон, Пер Р.; Мокснес, Пер-Олав; Лоо, Ларс-Уве; Нильссон Якоби, Мартин; Олсен, Джанин Л. (26 января 2018 г.). «Генетика морского ландшафта и моделирование биофизических связей способствуют сохранению пристани для морских водорослей Zostera в районе Скагеррак-Каттегат на востоке Северного моря» . Эволюционные приложения . 11 (5): 645–661. дои : 10.1111/eva.12589 . ISSN 1752-4571 . ПМЦ 5979629 . ПМИД 29875808 .
- ^ Вэй, К; Вуд, Арканзас; Гарднер, JPA (12 марта 2013 г.). «Морская генетика новозеландской зеленой мидии: температура поверхности моря объясняет генетическую изменчивость в макрогеографическом масштабе» . Серия «Прогресс в области морской экологии» . 477 : 107–121. дои : 10.3354/meps10158 . ISSN 0171-8630 .
- ^ ДиБаттиста, Джозеф Д.; Трэверс, Майкл Дж.; Мур, Гленн И.; Эванс, Ричард Д.; Ньюман, Стивен Дж.; Фэн, Мин; Мойл, Сэмюэл Д.; Гортон, Ребекка Дж.; Сондерс, Тор; Берри, Оливер (28 октября 2017 г.). «Геномика морских пейзажей раскрывает мелкомасштабные закономерности расселения рифовых рыб вдоль экологически разнообразного побережья Северо-Западной Австралии» . Молекулярная экология . 26 (22): 6206–6223. дои : 10.1111/mec.14352 . hdl : 20.500.11937/59488 . ISSN 0962-1083 . ПМИД 29080323 . S2CID 3497247 .
- ^ Сторфер, Эндрю; Паттон, Остин; Фрайк, Александра К. (2018). «Навигация по взаимодействию между ландшафтной генетикой и ландшафтной геномикой» . Границы генетики . 9:68 . дои : 10.3389/fgene.2018.00068 . ISSN 1664-8021 . ПМЦ 5859105 . ПМИД 29593776 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ричардсон, Джонатан Л.; Брэди, Стивен П.; Ван, Ян Дж.; Спир, Стивен Ф. (2016). «Как преодолеть подводные камни и перспективы ландшафтной генетики» . Молекулярная экология . 25 (4): 849–863. дои : 10.1111/mec.13527 . ISSN 1365-294X . ПМИД 26756865 . S2CID 23647434 .