Генетическое разнообразие - Genetic diversity

Генетическое разнообразие - это общее количество генетических характеристик в генетическом составе вида, оно широко варьируется от количества видов до различий внутри видов и может быть отнесено к продолжительности выживания вида. Он отличается от генетической изменчивости , которая описывает тенденцию к изменению генетических характеристик.

Генетическое разнообразие служит способом адаптации населения к меняющимся условиям. При большей вариативности более вероятно, что некоторые особи в популяции будут обладать вариациями аллелей , подходящими 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.

Аннотированная диаграмма естественного отбора.jpg

Академическая область популяционной генетики включает несколько гипотез и теорий относительно генетического разнообразия. Нейтральная теория эволюции предполагает , что разнообразие является результатом накопления нейтральных замен. Диверсифицирующий отбор - 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. Частотно-зависимый отбор - это гипотеза о том, что по мере того, как аллели становятся более распространенными, они становятся более уязвимыми. Это происходит во взаимодействиях хозяин-патоген , где высокая частота защитного аллеля среди хозяина означает, что более вероятно, что патоген будет распространяться, если он сможет преодолеть этот аллель .

Графическое изображение типичного кариотипа человека .

Внутри видового разнообразия

Сорта кукурузы в кабинете российского генетика Николая Вавилова

Исследование, проведенное Национальным научным фондом в 2007 году, показало, что генетическое разнообразие (в пределах видового разнообразия) и биоразнообразие зависят друг от друга, т. Е. Что 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». Генотипическое и фенотипическое разнообразие было обнаружено у всех видов на уровне белка , ДНК и организма ; в природе это разнообразие неслучайно, сильно структурировано и коррелирует с изменчивостью окружающей среды и стрессом .

Взаимозависимость между генетическим и видовым разнообразием тонкая. Изменения видового разнообразия приводят к изменениям в окружающей среде, что приводит к адаптации остальных видов. Изменения в генетическом разнообразии, например, исчезновение видов, ведет к утрате биологического разнообразия . Утрата генетического разнообразия популяций домашних животных также изучалась и объяснялась расширением рынков и экономической глобализацией .

Эволюционное значение генетического разнообразия

Приспособление

Изменчивость в генофонде популяций позволяет естественному отбору воздействовать на черты, которые позволяют населению адаптироваться к изменяющейся среде. Отбор по признаку или против признака может происходить при изменении окружающей среды, что приводит к увеличению генетического разнообразия (если новая мутация отбирается для и поддерживается) или уменьшению генетического разнообразия (если выбирается невыгодный аллель). Следовательно, генетическое разнообразие играет важную роль в выживании и приспособляемости вида. Способность популяции адаптироваться к изменяющейся среде будет зависеть от наличия необходимого генетического разнообразия. Чем больше генетическое разнообразие имеет популяция, тем больше вероятность того, что популяция сможет адаптироваться и выжить. И наоборот, уязвимость населения к изменениям, таким как изменение климата или новые болезни, будет увеличиваться с уменьшением генетического разнообразия. Например, неспособность коал адаптироваться к борьбе с хламидиями и ретровирусом коал (KoRV) была связана с низким генетическим разнообразием коал . Это низкое генетическое разнообразие также беспокоит генетиков по поводу способности коал адаптироваться к изменению климата и антропогенным изменениям окружающей среды в будущем.

Небольшие популяции

Большие популяции с большей вероятностью сохранят генетический материал и, следовательно, обычно имеют более высокое генетическое разнообразие. Небольшие популяции с большей вероятностью испытают потерю разнообразия с течением времени случайно, что называется генетическим дрейфом . Когда аллель (вариант гена) дрейфует до фиксации, другой аллель в том же локусе теряется, что приводит к потере генетического разнообразия. В небольших популяциях более вероятно возникновение инбридинга или спаривания между особями со схожим генетическим составом, что увековечивает более общие аллели до точки фиксации, тем самым уменьшая генетическое разнообразие. Поэтому опасения по поводу генетического разнообразия особенно важны для крупных млекопитающих из-за их небольшого размера популяции и высокого уровня антропогенного воздействия на популяцию. [16]

Генетическое узкое место может произойти , когда популяция проходит через период низкого числа особей, что приводит к быстрому уменьшению генетического разнообразия. Даже с увеличением 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. Это важное соображение в области природоохранной генетики при работе над спасенной популяцией или видом, который является генетически здоровым.

Мутация

Случайные мутации постоянно порождают генетические вариации . Мутация увеличит генетическое разнообразие в краткосрочной перспективе, 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. Полезная мутация с большей вероятностью сохранится и, таким образом, окажет долгосрочное положительное влияние на генетическое разнообразие. Скорость мутаций различается по геному, и более крупные популяции имеют более высокую скорость мутаций. В небольших популяциях мутация с меньшей вероятностью сохранится, потому что с большей вероятностью она будет устранена путем дрейфа.

Генетический поток

Поток генов , часто за счет миграции, - 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.

Например, устойчивые к инсектицидам мутации возникли у африканских комаров Anopheles gambiae . Миграция некоторых комаров A. gambiae в популяцию комаров Anopheles coluzziin привела к передаче полезного гена устойчивости от одного вида к другому. Генетическое разнообразие было увеличено у A. gambiae за счет мутации, а у A. coluzziin за счет потока генов.

В сельском хозяйстве

В посевах

Когда люди впервые начали заниматься сельским хозяйством, они использовали селекционное разведение, чтобы передать желательные черты сельскохозяйственных культур, пропуская нежелательные. Селективное разведение приводит к монокультурам : целым фермам почти генетически идентичных растений. Незначительное генетическое разнообразие или его полное отсутствие 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.

Великий голод девятнадцатого века в Ирландии отчасти был вызван 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 восприимчив к вызывающим гниль оомицетам под названием Phytophthora infestans . Гриб уничтожил подавляющую часть урожая картофеля и оставил один миллион человек умирать от голода.

Генетическое разнообразие в сельском хозяйстве связано не только с болезнями, но и с травоядными животными . Точно так же, как в приведенном выше примере, монокультурное сельское хозяйство отбирает признаки, которые одинаковы по всему участку. Если этот генотип чувствителен к определенным травоядным животным, это может привести к потере большой части урожая. Один из способов, которым фермеры обойти эту проблему, - это выращивание сельскохозяйственных культур . Посадив ряды несвязанных или генетически различных культур в качестве барьеров между травоядными животными и их предпочтительным растением-хозяином, фермер эффективно снижает способность травоядных животных распространяться по всему участку.

В животноводстве

Генетическое разнообразие видов домашнего скота позволяет разводить животных в различных средах и с рядом различных целей. Он обеспечивает сырье для программ селекции и позволяет поголовью скота адаптироваться к изменению условий окружающей среды.

Биоразнообразие домашнего скота может быть потеряно в результате исчезновения пород и других форм генетической эрозии . По состоянию на июнь 2014 года из 8774 пород, зарегистрированных в Информационной системе о разнообразии домашних животных ( DAD-IS ), управляемой Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций ( ФАО ), 17 процентов были классифицированы как находящиеся под угрозой исчезновения, а 7 проц уже вымер. 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 о состоянии мировых генетических ресурсов животных для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства , в которых содержится 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. Кроме того, генетическое разнообразие ВИЧ-1 ограничивает использование доступных в настоящее время тестов на вирусную нагрузку и резистентность.

Как справиться с низким генетическим разнообразием

Фотомонтаж планктонных организмов.

Естественный

В естественном мире есть несколько способов сохранения или увеличения генетического разнообразия. Среди океанического планктона , вирусы помощи в генетическом процессе переключения. Океанические 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.

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

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. Создание или поддержание высокого генетического разнообразия является важным фактором в усилиях по спасению видов, чтобы обеспечить долголетие популяции.

Меры

Генетическое разнообразие популяции можно оценить с помощью простых мер.

  • Разнообразие генов - это доля полиморфных локусов в геноме .
  • Гетерозиготность - это доля особей в популяции, гетерозиготных по определенному локусу.
  • Аллели на локус также используются для демонстрации изменчивости.
  • Разнообразие нуклеотидов - это степень полиморфизма нуклеотидов в популяции, которая обычно измеряется с помощью молекулярных маркеров, таких как микро- и минисателлитные последовательности, митохондриальная ДНК 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.

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

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

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки