Экологическая генетика

Экологическая генетика - это изучение генетики природных популяций. Он сочетает в себе экологию, эволюцию и генетику, чтобы понять процессы, лежащие в основе адаптации. ^[1]

Это контрастирует с классической генетикой , которая работает в основном над скрещиванием лабораторных штаммов, и ДНК анализом последовательности , который изучает гены на молекулярном уровне.

Исследования в этой области посвящены чертам организма экологического значения — чертам, которые влияют на приспособленность или его способность выживать и размножаться. ^[1] Примеры таких черт включают время цветения, устойчивость к засухе , полиморфизм , мимикрию и избегание нападений хищников . ^[2]^{[ нужна ссылка ]}

Исследования обычно включают в себя сочетание полевых и лабораторных исследований. ^[3] Образцы природных популяций можно вернуть в лабораторию для анализа их генетических вариаций. Будут отмечены изменения популяций в разное время и в разных местах и структура смертности изучена в этих популяциях. Исследования часто проводятся на организмах с коротким периодом генерации, таких как насекомые и микробные сообщества. ^[4]^[5]

История [ править ]

Хотя работы над природными популяциями проводились и ранее, признано, что эта область была основана английским биологом Э. Б. Фордом (1901–1988) в начале 20 века. ^{[ нужна ссылка ]} Форд начал исследования генетики природных популяций в 1924 году и много работал над разработкой своего формального определения генетического полиморфизма . ^[6]^[7] Выдающимся произведением Форда была «Экологическая генетика» , которая выдержала четыре издания и имела широкое влияние. ^[8]

Среди других известных экологических генетиков Р. А. Фишер и Феодосий Добжанский . Фишер помог сформировать то, что известно как современный синтез экологии, математически объединив идеи Дарвина и Менделя . ^[9] Добжанский работал над хромосом полиморфизмом у плодовых мух . Он и его коллеги на протяжении многих лет проводили исследования природных популяций видов дрозофилы на западе США и в Мексике. ^[10]^[11]^[12]

Филип Шеппард , Сирил Кларк , Бернард Кеттлуэлл и Эй Джей Кейн находились под сильным влиянием Форда; их карьера началась после Второй мировой войны. В совокупности их работа над чешуекрылыми и группами крови человека открыла поле и пролила свет на отбор в естественных популяциях, где его роль когда-то подвергалась сомнению. ^{[ нужна ссылка ]}

Исследования [ править ]

Наследование и естественный отбор [ править ]

Экологическая генетика тесно связана с концепцией естественного отбора . ^[13] Многие классические работы по экологии использовали аспекты экологической генетики, исследуя, как наследственность и окружающая среда влияют на людей.

меланизм у плодожорки перцовой Промышленный

Промышленный меланизм у перцовой плодожорки Biston betularia — известный пример процесса естественного отбора. ^[14]^[15] Типичный фенотип окраски крыльев B. betularia представляет собой черно-белые пятна, но встречаются также варианты «меланического» фенотипа с повышенным количеством черного цвета. ^[14] В девятнадцатом веке частота этих меланических вариантов быстро возросла. Многие биологи предлагали объяснения этому явлению. В начале 1910-х годов, а также во многих более поздних исследованиях было продемонстрировано, что меланические варианты являются результатом доминантных аллелей в одном локусе генома B. betularia . ^[14] Таким образом, предлагаемые объяснения были сосредоточены на различных факторах окружающей среды, которые могли способствовать естественному отбору. В частности, было высказано предположение, что хищничество птиц отбирало формы меланических ночных бабочек, которые в промышленно развитых районах были более загадочными. ^[15] HBD Kettlewell тщательно исследовал эту гипотезу в начале 1950-х годов.

Неопределенность относительно того, охотятся ли птицы на мотыльков вообще, стала первоначальной проблемой, побудившей Кеттлуэлла провести серию экспериментов с птицами в неволе. ^[14]^[15] Эти эксперименты, хотя поначалу и безуспешные, показали, что при наличии множества насекомых птицы предпочитают охотиться на наиболее заметных мотыльков: тех, чья окраска не похожа на окружающую их среду. Затем Кеттлуэлл провел полевые эксперименты, используя методы повторной поимки меток, чтобы исследовать избирательное хищничество бабочек в их естественной среде обитания. Эти эксперименты показали, что в лесах вблизи промышленно развитых районов мелановые формы бабочек вылавливаются гораздо чаще, чем традиционные более светлые формы, тогда как в непромышленных лесах наблюдается обратное. ^[15]

Более поздние исследования еще раз подчеркнули роль генетики в случае индустриального меланизма у B. betularia . Хотя исследования уже подчеркивали роль аллелей в определении фенотипа цвета крыльев, все еще было неизвестно, имели ли мелановые аллели единое происхождение или возникали независимо несколько раз. Использование молекулярной маркировки и хромосомного картирования в сочетании с опросами населения продемонстрировало в начале 2010-х годов, что меланические варианты B. betularia имеют одно единственное наследственное происхождение. ^[16] Кроме того, меланические варианты, по-видимому, возникли в результате мутации типичного фенотипа цвета крыльев.

Полигенный отбор [ править ]

Исследования экологически важных признаков часто фокусируются на отдельных аллелях. ^[17] Однако установлено, что во многих случаях фенотипы имеют полигенную основу — они контролируются множеством различных аллелей. В частности, сложные черты с большей вероятностью имеют полигенную основу. ^[18] Достижения в области генетических технологий позволили ученым более внимательно исследовать генетическую основу сложных признаков, что привело к накоплению доказательств, подтверждающих важность полигенного контроля в понимании эволюции этих признаков.

Основные доказательства можно извлечь из того, что мы знаем об искусственном отборе и его влиянии на признаки. ^[18] Многие эксперименты, в которых использовался искусственный отбор, обнаружили черты, реагирующие быстро и устойчиво. Если бы лишь небольшое количество генов оказывало большое влияние на конкретный признак, этого не было бы видно. То, как сложные признаки с непрерывной изменчивостью изменяются в ответ на естественный отбор, наиболее разумно можно объяснить тем, что множество аллелей оказывают небольшое влияние на интересующий фенотип.

Распространенность признаков, имеющих полигенную основу, создает некоторые проблемы при исследовании признаков и адаптации в природных популяциях. Разделение влияния генов, факторов окружающей среды и случайного генетического дрейфа на признаки может быть затруднено в случае сложных признаков. ^[13]

Ограничения [ править ]

Работа такого рода требует долгосрочного финансирования, а также знаний в области экологии и генетики. Это оба трудные требования. Исследовательские проекты могут длиться дольше, чем карьера исследователя; например, исследования мимикрии начались 150 лет назад и продолжаются до сих пор. ^[19]^[2] Финансирование этого типа исследований все еще довольно нестабильно, но, по крайней мере, ценность работы с природными популяциями в полевых условиях теперь не может подвергаться сомнению. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Коннер, Джеффри К.; Хартл, Дэниел Л. (2004). Букварь экологической генетики . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-202-3 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Ракстон Г.Д. Шерратт Т.Н. и Спид МП 2004. Уклонение от нападения: эволюционная экология крипсиса, предупреждающие сигналы и мимикрия . Издательство Оксфордского университета.
^ Форд Э.Б. 1981. Использование генетики в сельской местности . Вайденфельд и Николсон, Лондон.
^ Феллоуз, Марк, изд. (2005). Эволюционная экология насекомых: материалы 22-го симпозиума Королевского энтомологического общества . Материалы симпозиума Королевского энтомологического общества. Уоллингфорд: CABI Publ. ISBN 978-0-85199-812-1 .
^ Кассен, Рис; Рейни, Пол Б. (октябрь 2004 г.). «Экология и генетика микробного разнообразия» . Ежегодный обзор микробиологии . 58 (1): 207–231. дои : 10.1146/annurev.micro.58.030603.123654 . ISSN 0066-4227 . ПМИД 15487936 .
^ Форд Э.Б. 1940. Полиморфизм и таксономия. В Хаксли Дж. Новая систематика . Издательство Оксфордского университета.
^ Форд Э.Б. 1965. Генетический полиморфизм . Исследования всех душ, Faber & Faber, Лондон.
^ Форд Э.Б. 1975. Экологическая генетика , 4-е изд. Чепмен и Холл, Лондон.
^ Берри, Эндрю; Браун, Джанет (26 июля 2022 г.). «Мендель и Дарвин» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 119 (30): e2122144119. Бибкод : 2022PNAS..11922144B . дои : 10.1073/pnas.2122144119 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 9335214 . PMID 35858395 .
^ Добжанский, Феодосий. Генетика и происхождение видов . Колумбия, штат Нью-Йорк, 1-е изд. 1937 г.; второе издание 1941 г.; 3-е изд. 1951 г.
^ Добжанский, Феодосий 1970. Генетика эволюционного процесса . Колумбия, Нью-Йорк.
^ Добжанский, Феодосий 1981. Генетика природных популяций Добжанского I-XLIII . Р. К. Левонтин, Дж. А. Мур, В. Б. Провайн и Б. Уоллес, ред. Columbia University Press, Нью-Йорк, 1981. (перепечатывает 43 статьи из этой серии, все, кроме двух, были автором или соавтором Добжанского)
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Биби, Тревор Дж. К.; Роу, Грэм (2008). Введение в молекулярную экологию (2-е изд.). Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-929205-9 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кук, Л.М.; Саккери, IJ (2013). «Перцовая моль и промышленный меланизм: эволюция примера естественного отбора» . Наследственность . 110 (3): 207–212. дои : 10.1038/hdy.2012.92 . ISSN 0018-067X . ПМЦ 3668657 . ПМИД 23211788 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Радж, Дэвид В. (2005). «Красота классической экспериментальной демонстрации естественного отбора Кеттлуэлла» . Бионаука . 55 (4): 369. doi : 10.1641/0006-3568(2005)055[0369:TBOKCE]2.0.CO;2 . ISSN 0006-3568 .
^ Вант Хоф, Арьен Э.; Эдмондс, Никола; Даликова, Мартина; Марец, Франтишек; Саккери, Илик Дж. (2011). «Промышленный меланизм у британской перцовой моли имеет уникальное и недавнее мутационное происхождение» . Наука . 332 (6032): 958–960. Бибкод : 2011Sci...332..958V . дои : 10.1126/science.1203043 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 29784314 . ПМИД 21493823 .
^ Фурманн, Нико; Пракаш, Селин; Кайзер, Тобиас С (28 февраля 2023 г.). Вайгель, Детлеф (ред.). «Полигенная адаптация на основе устойчивой генетической изменчивости позволяет быстро сформировать экотип» . электронная жизнь . 12 : е82824. doi : 10.7554/eLife.82824 . ISSN 2050-084X . ПМЦ 9977305 . ПМИД 36852484 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Селла, Гай; Бартон, Николас Х. (31 августа 2019 г.). «Размышления об эволюции сложных признаков в эпоху полногеномных ассоциативных исследований» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 20 (1): 461–493. doi : 10.1146/annurev-genom-083115-022316 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 31283361 .
^ Маллет Дж. и Джорон М. 1999. Эволюция разнообразия в предупреждающих цветах и мимикрии: полиморфизмы, смещение баланса и видообразование. Ежегодный обзор экологической систематики 1999. 30 201–233.

Дальнейшее чтение [ править ]

Каин А.Дж. и В.Б. Провайн, 1992. Гены и экология в истории. В: Р. Дж. Берри, Т. Дж. Кроуфорд и Г. М. Хьюитт (ред.). Гены в экологии . Блэквелл Сайентифик: Оксфорд. Дает хороший исторический фон.

[:1-1] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Коннер, Джеффри К.; Хартл, Дэниел Л. (2004). Букварь экологической генетики . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-202-3 .

[:0-2] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Ракстон Г.Д. Шерратт Т.Н. и Спид МП 2004. Уклонение от нападения: эволюционная экология крипсиса, предупреждающие сигналы и мимикрия . Издательство Оксфордского университета.

[3] Форд Э.Б. 1981. Использование генетики в сельской местности . Вайденфельд и Николсон, Лондон.

[4] Феллоуз, Марк, изд. (2005). Эволюционная экология насекомых: материалы 22-го симпозиума Королевского энтомологического общества . Материалы симпозиума Королевского энтомологического общества. Уоллингфорд: CABI Publ. ISBN 978-0-85199-812-1 .

[5] Кассен, Рис; Рейни, Пол Б. (октябрь 2004 г.). «Экология и генетика микробного разнообразия» . Ежегодный обзор микробиологии . 58 (1): 207–231. дои : 10.1146/annurev.micro.58.030603.123654 . ISSN 0066-4227 . ПМИД 15487936 .

[New_systematics-6] Форд Э.Б. 1940. Полиморфизм и таксономия. В Хаксли Дж. Новая систематика . Издательство Оксфордского университета.

[7] Форд Э.Б. 1965. Генетический полиморфизм . Исследования всех душ, Faber & Faber, Лондон.

[Henry-8] Форд Э.Б. 1975. Экологическая генетика , 4-е изд. Чепмен и Холл, Лондон.

[9] Берри, Эндрю; Браун, Джанет (26 июля 2022 г.). «Мендель и Дарвин» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 119 (30): e2122144119. Бибкод : 2022PNAS..11922144B . дои : 10.1073/pnas.2122144119 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 9335214 . PMID 35858395 .

[10] Добжанский, Феодосий. Генетика и происхождение видов . Колумбия, штат Нью-Йорк, 1-е изд. 1937 г.; второе издание 1941 г.; 3-е изд. 1951 г.

[11] Добжанский, Феодосий 1970. Генетика эволюционного процесса . Колумбия, Нью-Йорк.

[12] Добжанский, Феодосий 1981. Генетика природных популяций Добжанского I-XLIII . Р. К. Левонтин, Дж. А. Мур, В. Б. Провайн и Б. Уоллес, ред. Columbia University Press, Нью-Йорк, 1981. (перепечатывает 43 статьи из этой серии, все, кроме двух, были автором или соавтором Добжанского)

[:4-13] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Биби, Тревор Дж. К.; Роу, Грэм (2008). Введение в молекулярную экологию (2-е изд.). Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-929205-9 .

[:2-14] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кук, Л.М.; Саккери, IJ (2013). «Перцовая моль и промышленный меланизм: эволюция примера естественного отбора» . Наследственность . 110 (3): 207–212. дои : 10.1038/hdy.2012.92 . ISSN 0018-067X . ПМЦ 3668657 . ПМИД 23211788 .

[:3-15] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Радж, Дэвид В. (2005). «Красота классической экспериментальной демонстрации естественного отбора Кеттлуэлла» . Бионаука . 55 (4): 369. doi : 10.1641/0006-3568(2005)055[0369:TBOKCE]2.0.CO;2 . ISSN 0006-3568 .

[16] Вант Хоф, Арьен Э.; Эдмондс, Никола; Даликова, Мартина; Марец, Франтишек; Саккери, Илик Дж. (2011). «Промышленный меланизм у британской перцовой моли имеет уникальное и недавнее мутационное происхождение» . Наука . 332 (6032): 958–960. Бибкод : 2011Sci...332..958V . дои : 10.1126/science.1203043 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 29784314 . ПМИД 21493823 .

[17] Фурманн, Нико; Пракаш, Селин; Кайзер, Тобиас С (28 февраля 2023 г.). Вайгель, Детлеф (ред.). «Полигенная адаптация на основе устойчивой генетической изменчивости позволяет быстро сформировать экотип» . электронная жизнь . 12 : е82824. doi : 10.7554/eLife.82824 . ISSN 2050-084X . ПМЦ 9977305 . ПМИД 36852484 .

[:5-18] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Селла, Гай; Бартон, Николас Х. (31 августа 2019 г.). «Размышления об эволюции сложных признаков в эпоху полногеномных ассоциативных исследований» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 20 (1): 461–493. doi : 10.1146/annurev-genom-083115-022316 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 31283361 .

[19] Маллет Дж. и Джорон М. 1999. Эволюция разнообразия в предупреждающих цветах и мимикрии: полиморфизмы, смещение баланса и видообразование. Ежегодный обзор экологической систематики 1999. 30 201–233.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

v т и Генетика
Introduction Outline History Timeline Index Glossary
Key components	Chromosome DNA RNA Genome Heredity Nucleotide Mutation Genetic variation Allele Amino acid
Fields	Classical Conservation Cytogenetics Ecological Immunogenetics Microbial Molecular Population Quantitative
Archaeogenetics of	Africa the Americas the British Isles Europe Italy the Middle East South Asia
Related topics	Behavioural genetics Epigenetics Geneticist Genome editing Genomics Genetic code Genetic engineering Genetic diversity Genetic monitoring Genetic genealogy Heredity He Jiankui affair Medical genetics Missing heritability problem Molecular evolution Plant genetics Population genomics Reverse genetics
Lists	List of genetic codes List of genetics research organizations
Category

v т и Эволюционная биология
Introduction Outline Timeline of evolution History of life Index
Evolution	Abiogenesis Adaptation Adaptive radiation Altruism Cheating Reciprocal Baldwin effect Cladistics Coevolution Mutualism Common descent Convergence Divergence Earliest known life forms Evidence of evolution Evolutionary arms race Evolutionary pressure Exaptation Extinction Event Homology Last universal common ancestor Macroevolution Microevolution Mismatch Non-adaptive radiation Origin of life Panspermia Parallel evolution Signalling theory Handicap principle Speciation Species Species complex Taxonomy Unit of selection Gene-centered view of evolution
Population genetics	Artificial selection Biodiversity Evolutionarily stable strategy Fisher's principle Fitness Inclusive Gene flow Genetic drift Kin selection Parental investment Parent–offspring conflict Mutation Population Natural selection Sexual dimorphism Sexual selection Mate choice Social selection Trivers–Willard hypothesis Variation
Development	Canalisation Evolutionary developmental biology Genetic assimilation Inversion Modularity Phenotypic plasticity
Of taxa	Bacteria Birds origin Brachiopods Molluscs Cephalopods Dinosaurs Fish Fungi Insects butterflies Life Mammals cats canids wolves dogs hyenas dolphins and whales horses Kangaroos primates humans lemurs sea cows Plants pollinator-mediated Reptiles Spiders Tetrapods Viruses
Of organs	Cell DNA Flagella Eukaryotes symbiogenesis chromosome endomembrane system mitochondria nucleus plastids In animals eye hair auditory ossicle nervous system brain
Of processes	Aging Death Programmed cell death Avian flight Biological complexity Cooperation Color vision in primates Emotion Empathy Ethics Eusociality Immune system Metabolism Monogamy Morality Mosaic evolution Multicellularity Sexual reproduction Gamete differentiation/sexes Life cycles/nuclear phases Mating types Meiosis Sex-determination Snake venom
Tempo and modes	Gradualism/Punctuated equilibrium/Saltationism Micromutation/Macromutation Uniformitarianism/Catastrophism
Speciation	Allopatric Anagenesis Catagenesis Cladogenesis Cospeciation Ecological Hybrid Non-ecological Parapatric Peripatric Reinforcement Sympatric
History	Renaissance and Enlightenment Transmutation of species David Hume Dialogues Concerning Natural Religion Charles Darwin On the Origin of Species History of paleontology Transitional fossil Blending inheritance Mendelian inheritance The eclipse of Darwinism Neo-Darwinism Modern synthesis History of molecular evolution Extended evolutionary synthesis
Philosophy	Darwinism Alternatives Catastrophism Lamarckism Orthogenesis Mutationism Saltationism Structuralism Spandrel Theistic Vitalism Teleology in biology
Related	Biogeography Ecological genetics Evolutionary medicine Group selection Cultural evolution Cultural group selection Dual inheritance theory Hologenome theory of evolution Missing heritability problem Molecular evolution Astrobiology Phylogenetics Tree Polymorphism Protocell Systematics Transgenerational epigenetic inheritance
Category Portal