Inbreeding a fitness Stanovení výskytu příbuzenského křížení a jeho vliv na individuální fitness What does „inbreeding“ mean? F – coefficient of inbreeding • Pedigree inbreeding • Inbreeding as nonrandom mating • Inbreeding because of population subdivision What does „inbreeding“ mean? • Pedigree inbreeding • F = pravděpodobnost že dva homologní geny jednoho jedince jsou „identical by descent“ • rozsah je závislý na stupni „ancestry“ která je sdílena společně oběma rodiči What does „inbreeding“ mean? • Inbreeding as nonrandom mating • jedinec je považován za inbredního pokud jeho rodiče byli více příbuzní než dva náhodně vybrají jedinci [• ]F[is] = 1-H[o]/H[e ](odchylky z HWE)[] • malé populace – i náhodné párování je mezi příbuznými • i jedna generace náhodného páření vrátí F[is] na nulu What does „inbreeding“ mean? • Inbreeding because of population subdivision • náhodné páření uvnitř subpopulací • odpovídá Wright´s F[st] – měří inbreeding vzhledem k předpokládanému stavu, kdy by populace nebyla rozdělena • celkový inbreeding F[it] is pak funkcí obou „within- and among-population“ inbreeding • (1-F[it])=(1-F[is])(1-F[st]) Nárůst homozygotnosti • Inbreding a fitness konkrétních jedinců • Problém – obvykle neznám rodokmen (a ani ho nejsem schopen rekonstruovat) • → genotyp (heterozygotnost) jako odhad inbreedingu (příbuznosti rodičů) Inbrední deprese • Inbrední jedinci by měli mít nižší fitness (reprodukční úspěch nebo schopnost přežívat) • Efekt škodlivých recesivních alel • Známo z laboratorního křížení (extrémní příklady) • Studium v přírodě je obtížné – malé populace, nebo po projití hrdlem lahve Nejednoznačné výsledky dvojice příbuzných druhů • Eubalaena glacialis a E. australis • Téměř vyhubeny • E. australis se vzpamatovala, E. glacialis nikoliv • Arctocephalus pusillus (lachtan jihoafrický) • V jižní Africe okolo 2 miliónů • V Austrálii méně než 10 tisíc Genotyp a fitness jedince • Pomocí analýzy paternity známe reprodukční úspěch jedinců • Lze tento úspěch vztáhnout k míře inbreedingu? • Jsou více inbrední jedinci málo úspěšní? • Jak určit stupeň inbreedingu? Nejlépe pomocí mikrosatelitů Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Tedy jak příbuzní byli rodiče. • Rodokmeny – z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní • Heterozygotnost (průměrná heterozygotnost přes více lokusů) • SH - standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Tedy jak příbuzní byli rodiče. • Rodokmeny – z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní • Heterozygotnost (průměrná heterozygotnost přes více lokusů) • SH - standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu • d^2^ rozdíl velikosti alel lze opět vážit (standardizovat) přes průměrné rozdíly Velikost alel a evoluce mikrosatelitů • identita alel (stejné x různé) vs. rozdíl délek alel (počtu opakování) • Indikují podobně dlouhé alely na jednom lokusu bližšího společného předka než alely rozdílných délek? Teoretické mutační modely Dva extrémy • IAM – infinitive allele model (Při mutaci ztráta nebo získání libovolného počtu opakování. Vždy vzniká nová alela, která doposud v populaci nebyla) • SMM – stepwise mutation model (Mutace způsobeny pouze ztrátou nebo získáním jediného opakování motivu. Mutací může vzniknout alela, která je již v populaci přítomna) d^2 - Jak to měřit? i[a] a i[b] jsou délky alel na lokusu i (v počtu repeatů) n lokusů Větší rozdíl v délce alel svědčí o menší příbuznosti předků jedince. Standardizace vydělením nejvyšší hodnotou (→ hodnoty 0 až 1) Mean d^2 • Lze použít jen pokud platí stepwise mutation model (alely se liší jen počtem opakování motivu, např. u tetranukleotidového mikrosatelitu vždy přesně jen o násobky 4) [• ]Nelze tedy u složených mikrosatelitů! Např. (CA)[n](CAA)[n] [ ] • Nelze při výskytu „indels“ ve „flanking regions“ (delece a inserce v oblastech ohraničujících mikrosatelitový lokus) Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Tedy jak příbuzní byli rodiče. • Rodokmeny – z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní • Heterozygotnost (průměrná heterozygotnost přes více lokusů) • SH - standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu • d^2^ rozdíl velikosti alel lze opět vážit (standardizovat) přes průměrné rozdíly • IR internal relatedness („příbuznost“ dle alel na daném lokusu = shoda alel vážená přes frekvenci alely) Stejné alely na lokusu 2 příčiny: Identity by state IBS (stejný stav) Identity by descent IBD (stejný původ) – Pozoruji vždy identity by state – Zjištuji pravděpodobnost pro IBD – Jde o recentní IBD! Všechny alely mají společný původ, byť třeba hodně dávný. – Vzácnější alely od obou rodičů → IBD IR internal relatedness • Sdílení alely na lokusu • Váženo přes frekvenci alely • Vzácnější alely mají větší váhu • H počet homozygotních lokusů N počet lokusů f[i] frekvence i-té alely • Program RELATEDNESS - Mac Rozdíl heterozygotnosti (a IR) a d^2 • Heterozygotnost (a IR) je ovlivněna především nedávnou historií (recentní výběr partnerů v populaci) • d^2^ odráží hlubší historii populace (migrace mezi populacemi, smíšení dříve oddělených populací) SH, IR a d^2 navzájem korelovány Amos et al. 2001 • Dataset: Tuleňi, kulohlavci, 3 druhy albatrosů • Mikrosatelity, reprodukční úspěch • IR a SH naznačují selekci pro maximálně odlišné partnery Parus caeruleus Foester et al 2003 ^• 2452 mláďat, 5-7 mikrosatelitových lokusů, SH, IR, d^2 ^ • SH a IR korelovány, d^2 slabé korelace a nic nevysvětluje • SH koreluje se zbarvením samců • Mimopároví otci – Sousedi – větší a starší než podvedení samci – Cizinci – zvýšení heterozygotnosti Acrocephalus arundinaceus Hansson et al. 2001 • Silná filopatrie • Jižní Švédsko, populace založena v roce 1978 • 5 mikrosatelitových lokusů • d^2, srovnání návratnosti sourozenců (největší úmrtnost v prvním roce) ^• Vrací se jedinci s vyšším d^2 Ficedula albicollis Merilä et al 2003 • Dlouhodobě sledovaná populace - témeř 10 let • 3 mikrosatelitové lokusy • Lifetime reproductive success Lifetime fledging success • Jasný vztah s d^2 jednoho lokusu Rana temporaria ve Skandinávii Lesbarreres et al. 2005 • 8 mikrosatelitových lokusů • Přežívání mláďat pozitivně korelováno s heterozygotností • Stejný vztah ve 4 populacích • Genetic variability-fitness correlations Emberiza schoeniclus Kleven & Lifjeld 2005 • 9 mikrosatelitových lokusů ^• SH a d^2 ^ • Samci úspěšní v mimopárových kopulacích x podvedení samci • Mláďata z mimopárových kopulací x párová mláďata ^• Žádný rozdíl v heterozygotnosti a d^2 Rangifer tarandus CÔTÉ et al. 2005 • 9 msat lokusů • 306 samic, žaludky • Nematoda: Ostertagia gruehneri and Marshallagia marshalli • žádný vztah heterozygotnosti (nebo d^2) a promořeností parazity Jeleni na ostrově Rum Slate & Pemberton 2002 • Jedinci z let 1970 až 1996 • 71 mikrosatelitových lokusů, 364 jedinců, SH, Mean d^2 • Heterozygotnost: pozitivní ale slabá korelace mezi lokusy Mean d^2: korelace není Malá korelace mezi SH a Mean d^2 • Heterozygotnost vysvětluje porodní váhu Mean d^2 nikoliv • Žádný efekt na přežívání mláďat • Dostatečný počet lokusů a jedinců! SH a inbreeding Slate et al. 2004, Pemberton 2004 • Jak dobře heterozygotnost měří inbreeding? • 101 mikrosatelitových lokusů u 590 ovcí • Vztah existuje, ale je překvapivě slabý • Pokud možno → použít raději rodokmeny Simulace a lidé Balloux et al. 2004 • Korelace silné až při ~200 lokusech • Slabá korelace mezi heterozygotností na různých lokusech (400 markerů v různých lidských populacích, 1000 jedinců z 52 populací) • Pozitivní výsledky znamenají pravděpodobněji: – vazbu na konkrétní lokusy pod selekcí – Extrémní případy – např. silná polygamie, výrazná strukturovanost populace Problémy • Publikační zkreslení (publication bias) Negativní výsledky se většinou nepublikují. • Dostatečná data (počet lokusů a jedinců) • Odhad celkové heterozygotnosti – Celková heterozygotnost („general effect“) – Vazba na konkrétní lokusy („local effect“) – Při použití alozymů i přímý efekt studovaného lokusu • Nejednoznačný vztah genetické variability a fitness Celková heterozygotnost („general effect“) versus Vazba na konkrétní lokusy („local effect“) • Značný počet lokusů (stovky) • Shoda přes lokusy = Náhodně vytvořená skupina lokusů dává stejné výsledky jako lokusy zbylé. Arctocephalus gazella • Skoro vyhuben • Filopatrie, vysoká variance reprodukčního úspěchu • Samci s nižším IR (tedy vyšší heterozygotností) → vyšší reprodukční úspěch • Konzistentní přes lokusy • Dva lokusy ale mají výrazně větší vliv Závěr • Heterozygotnost jako odhad inbreedingu může fungovat hlavně v extrémních případech • Jinak hrozí, že i stovky lokusů neukážou skoro nic • Je třeba odlišit vliv celkové heterozygotnosti od vlivu jednotlivých genů • Nejvhodnější mírou se zdá být IR Vzdálenější příbuznost jedinců Sestry, bratři, sestřenice, bratranci Příbuzenský koeficient r • Celková IBD • Diploidní organismy – Rodič – potomek 0,5 – Sourozenci 0,5 – Jednovaječná dvojčata 1 – Nevlastní sourozenci 0,25 – Bratranci a sestřenice 0,125 – Nepříbuzní 0 • RELATEDNESS, KINSHIP (Mac), ML-RELATE (WinXP) odhad pomocí ML • BAYES Cynopterus sphinx kaloň krátkonosý Storz et al. 2001 • Kolonie složené z harémů, v harému samec a 1 až 37 samic • Příbuzenská struktura kolonie a harémů (kin structure)? • 10 mikrosatelitových lokusů, r, KINSHIP • r blízké nule → jedinci v kolonii jsou nepříbuzní • Zásadní role disperze (mláďata z kolonie se v dospělosti nedrží pospolu) Cryptomys damarensis Burland et al. 2004 • Kolonie, i více než 40 jedinců • Množí se jen 1 samice (královna) a 1 až 2 samci • Mark-recapture → minimální disperze a výměna mezi koloniemi • Laboratorní experimenty → inbreeding avoidance • Vysvětluje to, proč se množí jen královna? • 11 kolonií, mikrosatelity, RELATEDNESS • Královna má mláďata i se samci, kteří nejsou v kolonii • V kolonii často nepříbuzní jedinci opačného pohlaví • Inbreeding avoidance nestačí k vysvětlení sociality • Dominance královny Megaptera novaeangliae Valsecchi et al. 2002 • Cestují v malých skupinách • Tvoří skupiny příbuzní? Kin selection? • Mikrosatelity (8 lokusů), KINSHIP, NEWPAT • Jediní příbuzní ve skupinách byly matky a jejich potomci. • Kromě nich hodnoty r stejné jako při sloučení skupin dohromady • Kin selection skupiny nevysvětluje Haplodiploidie • ♂♂ haploidní, ♀♀ diploidní • Jeden otec – Sestry: 0,75 – Matka – dcera 0,5 • Více otců – Sestry: 0,25 - 0,75 – Matka – dcera 0,5 • Více matek i otců r různé Polistes dominulus (dříve P. gallicus) vosík francouzský Queller et al. 2000 • Hnízdo bez ochranného obalu • Zakládá často více přezimovavších samic • Dominantní samice klade vajíčka (>90%), subordinátní se starají o potravu • Kin selection? (Jsou si samice příbuzné?) • Ve třetině případů jsou samice nepříbuzné (ML 35% nepříbuzné 7% sestřenice 56% sestry) • Jediná výhoda – nahrazení dominantní samice, pokud zahyne • Výjimka u sociálního hmyzu! Sex ratio konflikt (Trivers and Hare 1976)