Molekulární přístupy v behaviorální ekologii nForaging nIdentifying prey, individual food preferences nPárovací systémy (mating systems) nExtra-pair fertilizations nConspecific brood parasitism nMate choice (pre- and postcopulatory) nSocial breeding (relatedness) nManipulace poměrem pohlaví nAdaptive sex ratio nSex ratio conflicts nSex-biased dispersal (pop-gen methods) n n n MODULARIZACE VÝUKY EVOLUČNÍ A EKOLOGICKÉ BIOLOGIE CZ.1.07/2.2.00/15.0204 „Foraging“ •Identifikace jedinců (geneticky) + jejich potravy (jinak) • •Identifikace jedinců (jinak) + jejich potravy (geneticky) • • „Foraging“ - non-invasive CMR studies •Velikost populace – identifikace jedinců •„Capture-Mark-Recapture“ (review in Lukacs & Burnham 2005) •Opakované vzorkování stejného zvířete •Přežívání, populační dynamika atd. •Closed population models, open population models, Robust design models •Korekce na genotypizační chyby •Trus – analýza individuální variability v potravě (př. kojoti - Fedriani & Kohn 2001) • kojot Populační dynamika kojotů (Prugh et al. 2005) Sekvenování amplikonů (PCR produktů) SMĚSNÉ VZORKY Složení potravy, např. v trusu DNA – barcoding approach (např. COI gen) např. COI gen paralelní sekvenování Parentage analysis infidelity Msat paternita - barvy Nevera002 Určení otce, matky nebo obou Jones AG, Ardren WR, 2003, Mol Ecol (invited review) Proč zjišťovat paternitu? nmimopárové oplození – otec vychovatel vs. genetický otec nstanovení počtu reprodukčně-aktivních jedinců v populaci nstudium faktorů ovlivňujících fitness (reprodukční úspěšnost) nvícenásobná paternita – analýzy párovacího systému (detekce promiskuity aj.) n Paternita x maternita x rodičovský pár •Známe jednoho rodiče Neznáme žádného rodiče Historie •již první studie genetického polymorfismu ® genetické techniky mohou rozlišit nejisté otcovství ® jedno z hlavních témat molekulární ekologie •chromosomal polymorphism •allozyme electrophoresis •DNA fingerprinting – overturn of existing paradigms in behavioural ecology (birds) •statistical techniques for single-locus polymorphism (allozymes) – departure from practice (i.e. DNA fingerprinting) • Historie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 allozymes DNA fingerprinting, RAPD absence of theoretical models low variation multi-locus genotype Využití mikrosatelitů (dnes nejčastěji používané markery pro stanovení paternity) •Spojení teorie (statistické modely) a praxe (vysoce polymorfní single-locus markery) •Tandemová opakování krátkých motivů •Např. (CTTT)n nebo(CA)n •Vysoce polymorfní •Jednoduchá mendelovská dědičnost - kodominantní Alely se liší délkou – analýza dvou jedinců CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTC CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT + - 1 2 Příklad analýzy jednoho lokusu – fragmentační analýza PCR produktů (kodominantní markery = jednoduchá mendelovská dědičnost) Msat paternita - barvy Genotyp (bp) Matka: 125/131 Otec: 131/134 Potomek 1: 125/134 Potomek 2: 131/137 Sledovaný otec mohl zplodit potomka 1, ale zcela jistě není otcem potomka 2 + - ? Proteinový fingerprinting •Hohol severní Andersson & Åhlund 2000 • •Proteiny z bílku vajec • •isoelectric focusing in immobilized pH gradients • •Vnitrodruhový hnízdní parazitismus (více něž polovina hnízd) • •Zanáší si zřejmě příbuzné samice • Bucephala clangula Metody Jones & Ardren 2003, Jones et al. 2010 Ø Málo potenciálních rodičů, všichni ovzorkováni, dostatek dobrých markerů → Exclusion (prosté vyloučení) nekompatibilita mezi rodičem a potomkem → zamítnutí rodičovství postupným vyřazováním nakonec zbude jeden možný rodič (→ biologický otec nebo matka) Ø Ø Nelze vyloučit více jedinců (zbyde více možných otců než 1) → Metody založené na maximální věrohodnosti Categorical and fractional allocation (založeno na homozygotnosti → homozygot má větší pravděpodobnost předat alelu) → Full probability parentage analysis (Bayesian statistics) (zahrnutí i dalších dat jako vzdálenost hnízd, behaviorální data…) Ø Ø Rodiče neznámi a neovzorkováni → Parental reconstruction Z genotypů potomků z jedné rodiny → rekonstrukce genotypu rodičů Například k určení „multiple paternity“ > Msat paternita - barvy Genotyp (bp) Matka: 125/131 Otec: 131/134 Potomek 1: 125/134 Potomek 2: 131/137 Sledovaný otec mohl zplodit potomka 1, ale zcela jistě není otcem potomka 2 + - ? Exclusion principle (= vyloučení rodičů) Fragmentační analýza 3LOKCELE tools_1a Je možné analyzovat několik lokusů najednou. Kolik je třeba lokusů? •Nutný počet není absolutní • •Dáno: üpočtem alel üheterozygotností üčetností alel üvelikostí vzorku ü •ideální - hypervariabilní lokusy stačí třeba jen 3 • •Tedy nejdříve je nutná pilotní studie dospělců v populaci • •→ výpočet Exclusion probability • • Nielsen et al. 2001 různý počet alel, různý počet možných rodičů •Pravděpodobnost, že genotyp náhodně vybraného jedince nebude pasovat na potomka Tedy pravděpodobnost, že náhodně vybraného jedince vyloučíme jako rodiče • •Často se ale udává i NonExclusion probability (tedy 1 – Exclusion probability) • •Závisí na počtu lokusů a alel • •Dobré jsou hodnoty okolo 0,01 a nižší • •Vypočítá například Cervus • •Jiné hodnoty pro prvního a druhého rodiče • • • Exclusion probability AB Aa AA AB Ba Ab Aa potomek Možní rodičové matka •Exclusion probability – hrubý odhad • •Vhodnější → simulace zahrneme i počty a procenta ovzorkovaných jedinců, chyby a jiné problémy (mutace, nulové alely) Exclusion - komplikace •Mendelovská dědičnost mikrosatelitů: genotypizační chyby, nulové alely, mutace ® „false exclusions“ za striktních podmínek „Null alleles“ a „genotyping error“ • lokus 1 lokus 2 • null alleles genotyping error • •Matka 100 150 300 350 • •Samec 1 100 100 300 367 • •Mládě 150 150 350 365 • • • • • • Samec 1 je vždy opravdovým otcem, ale jednoduchá „exclusion“ metoda ho vždy vyloučí Mutace Ibarguchi et al. 2004 •Obvykle se zanedbávají • •Mohou však být i poměrně časté (4.5 x 10-2 - 5.1 x 10-6 na lokus) • •Navíc častější u samců (2 až 6x) • •→ Vyloučení na základě jednoho lokusu může být špatně • Řešení •Použít více lokusů • •Mutace → nejčastěji posun o jednu jednotku opakování například rodič (CTTT)7 potomek (CTTT)8, délka fragmentu tedy například 120 u rodiče a 124 u potomka • •Probability of resemblance (PR) Podívám se na ostatní lokusy a vypočítám s jakou pravděpodobností mohou alely sdílet dva nepříbuzní jedinci. Pro jeden lokus Součin pravděpodobností přes lokusy Ibarguchi et al. 2004 Uria lomvia •22% mimopárová paternita bez korekce na mutace • •7% mimopárová paternita s korekcí soulad s jinou použitou technikou Ibarguchi et al. 2004 Exclusion - komplikace •Mendelian rules of inheritance: genotyping errors, null alleles, mutations ® false exclusions in strict conditions •Extended family structure (příbuznost potenciálních rodičů) – nejhorší jsou sourozenci •Linked loci – pokles variability •Znaky na pohlavních chromozómech •Problémy narůstají s rostoucím množstvím jedinců a lokusů •„Exclusion“ je velmi užitečná metoda např. v experimentech, kde jsou všichni rodiče předem známi a zgenotypováni • Př.: Faktory ovlivňující celoživotní fitness u hořavky duhové 10 x stejné uspořádání 10 x stejné uspořádání Reichard et al., Mol Ecol 2008, Reichard et al., Evolution 2009 - 3 páry hořavek v každé nádrži - přes 4000 embryí (odebírány v pravidelných intervalech, 5 mikrosatelitů - velikost těla - kondice - zbarvení duhovky - velikost gonád - parazitofauna Př.: Faktory ovlivňující celoživotní fitness u hořavky duhové Reichard et al., Mol Ecol 2008, Reichard et al., Evolution 2009 „oportunity for sexual selection“ „velikost těla u samců rozhoduje“ Nahloučená distribuce = selekce na velikost gonád Rovnoměrná distribuce = selekce na velikost těla Metody Jones & Ardren 2003, Jones et al. 2010 Ø Málo potenciálních rodičů, všichni ovzorkováni, dostatek dobrých markerů → Exclusion (prosté vyloučení) nekompatibilita mezi rodičem a potomkem → zamítnutí rodičovství postupným vyřazováním nakonec zbude jeden možný rodič (→ biologický otec nebo matka) Ø Ø Nelze vyloučit více jedinců (zbyde více možných otců než 1) → Metody založené na maximální věrohodnosti Categorical and fractional allocation (založeno na homozygotnosti → homozygot má větší pravděpodobnost předat alelu) → Full probability parentage analysis (Bayesian statistics) (zahrnutí i dalších dat jako vzdálenost hnízd, behaviorální data…) Ø AaBB Aabb AaBb AABB aaBb AAbb AaBb offspring Možní rodičové matka Categorical x fractional likelihood -výpočet věrohodnosti („likelihood“) paternity pro jednotlivé kandidáty (na základě frekvencí alel) Categorical x fractional likelihood •„likelihood“ skóre je vypočítáno na základě genotypů potomka a všech nevyloučených rodičovských genotypů (na základě frekvencí alel v populaci) •možnost zahrnout i další parametry (např. účinnost vzorkování či genotypizací) • •Categorical l.: potomek jako jednotka přiřazen otci, biologicky validní • •Fractional l.: potomek přiřazen všem kompatibilním otcům. Statisticky přesnější a proto někdy výhodnější (např. lepší pro srovnání reprodukčního úspěchu různých kategorií samců) • Categorical allocation a)hledáme otce b)hledáme matku •c) hledáme oba rodiče •d) hledáme oba rodiče, ale neznáme pohlaví jednotlivých kandidátů • •... více viz program CERVUS 1) Fractional allocation •přiřadí určitou frakci (mezi 0 a 1) každého potomka všem nevyloučeným kandidátním rodičům • •proporce každého potomka přiřazená danému rodiči odpovídá věrohodnosti („likelihood“) rodičovství – tj. je závislá na ostatních nevyloučených rodičích Megaptera novaeangliae Nielsen et al. 2001 •Až 25 samců se pokouší pářit se samicí •Různé role samců - dominantní společník a vyzyvatel, sekundární společníci •6 mikrosatelitových lokusů •Fractional likelihood paternity method •Dominantní samci mají asi 3x více mláďat (ale rozdíly jsou pouze marginálně signifikantní) Full probability model Bayesiánská statistika •Složitější modely, zohledňují vzdálenost hnízd, frekveci krmení, párování… Metody Jones & Ardren 2003, Jones et al. 2010 Ø Málo potenciálních rodičů, všichni ovzorkováni, dostatek dobrých markerů → Exclusion (prosté vyloučení) nekompatibilita mezi rodičem a potomkem → zamítnutí rodičovství postupným vyřazováním nakonec zbude jeden možný rodič (→ biologický otec nebo matka) Ø Ø Nelze vyloučit více jedinců (zbyde více možných otců než 1) → Metody založené na maximální věrohodnosti Categorical and fractional allocation (založeno na homozygotnosti → homozygot má větší pravděpodobnost předat alelu) → Full probability parentage analysis (Bayesian statistics) (zahrnutí i dalších dat jako vzdálenost hnízd, behaviorální data…) Ø Ø Rodiče neznámi a neovzorkováni → Parental reconstruction Z genotypů potomků z jedné rodiny → rekonstrukce genotypu rodičů Například k určení „multiple paternity“ Genotypic (parental) reconstruction •rekonstrukce parentálních genotypů z velkého množství genotypů potomků (full- or halfsibs) – složitý algoritmus • •Často při analýzách paternity u ryb • •Například k určení „multiple paternity“, „rate of selfing“ • •Zásadní je velký počet mláďat ve snůšce/vrhu! • •Optimální je > 10 • • Počítačové programy •Cervus •Newpat •Probmax •Kinship •Famoz •Pasos •Papa •Parente •Patri a další viz Jones et al. 2010 • • •(Některé programy počítají i s možnými chybami při určování genotypů Cervus3, Kalinowski et al 2007, Newpat) Co je nejdůležitější? •Kvalitní data z terénu či experimentů! • •Nejlépe všichni dospělci z populace, behaviorální a jiná fenotypická data, mláďata přiřazena do rodin (matka + sociální partner) • •Špatná data = špatné výsledky Stane se, že nemohu získat vzorky všech dospělých jedinců z populace (potenciálních rodičů) nebo nelze říci, která mláďata jsou z jedné rodiny •Nemusí se zdařit najít rodiče všem potomkům •I tak ale mohu zjistit ledacos zajímavého (multiple paternity) ... • Příklad genotypy matky a embryí • lokus 1 lokus 2 • •Matka 100 150 300 350 • •1. embryo 100 115 300 320 •2. embryo 150 120 350 310 •3. embryo 120 100 350 365 • • • • • • Alely od matky • lokus 1 lokus 2 • •Matka 100 150 300 350 • •1. embryo 100 115 300 320 •2. embryo 150 120 350 310 •3. embryo 120 100 350 365 • • •Na druhém lokusu více než dvě alely, které nejsou od matky → více otců • • • ... nebo mutace – data nutno korigovat – viz Uria lomvia („probability of resemblance“) Apodemus agrarius a sylvaticus mláďata až od tří samců (Bryja et al. 2008) AF •Další příklady užitečnosti analýz paternity Orangutan na Sumatře (paternity) •Nápadný dimorfismus (vystouplé tváře a hrdelní vaky u samců) • •Předpoklad: Samci bez nápadných znaků hormonálně suprimováni a nemnoží se • •Mikrosatelity – 50 % mláďat je od samců bez nápadných znaků → alternativní strategie Lepomis (maternity) •Samec (bourgeois male) hlídá hnízdo s jikrami • •L. marginatus, L. punctaus, L. auritus samec má v hnízdě jikry od několika samic • •L. macrochirus tři typy samců (alternativní reprodukční strategie): bourgeois (> 7 let, staví hnízda) mladí samci (vjíždějí do hnízd a vypouštějí spermie) nespárovaní staří samci (napodobují samice) 20% potomků není od bourgeois L. macrochirus Pstruh duhový (Oncorhynchus mykiss) •rezidentní i anadromní populace v severní Americe •více než 5 miliard uměle odchovaných ryb ročně vypuštěno do vod tekoucích do severního Pacifiku – geneticky determinovaná nižší fitness •paternita určována u anadromních zvířat – chybí údaje o vlivu „rezidualizovaných“ vypuštěnců •anadromní zvířata je možno všechny odchytit při tahu (přehrada) • Identifikace prarodičů k odhadu vlivu vysazovaných jedinců •vhodná metoda, pokud je malý počet zakladatelů populace (např. rodičů v sádkách) •1991-2006, 12725 jedinců odchycených na tahu •8 mikrosatelitů Christie et al. 2011 two missing parents Složení genového toku do anadromní populace Skladování spermií •Dny u savců týdny u ptáků nebo hmyzu měsíce u mloků roky u hadů a želv • •Chrysemys picta mikrosatelity → po 3 roky mláďata od stejného otce, opakované páření se stejným otcem je nepravděpodobné Chrysemys picta Varan – Zoo Liberec – mláďata po dvou letech od úmrtí samce Halichoerus grypus tuleň kuželozubý Wilmer et al. 1999 •Samci z centra kolonie úspěšnější (až 30x) •Samci reprodukčně aktivní 10 let i déle •Pro více než polovinu mláďat nenalezeni otci → role páření ve vodě • •Kolonie, dimorfismus→ polygynie •Dvě skotské kolonie North Rona a Isle of May •Vzorky ze zhruba deseti let •9 mikrosatelitových lokusů •IDENTITY, NEWPAT, CERVUS • ES Ptáci •Řada druhů považována za monogamní (pěvci) • •Ale u 75 % druhů ptáků mimopárová mláďata • •Skutečně monogamní pěvci – jen 14% (Phylloscopus) • • • • • Sialia sialis 8-35 % mimopárových mláďat Emberiza schoeniclus až 55% mimopárových mláďat Malurus cyaneus až 72% mimopárových mláďat Odhad % mimopárových mláďat •Dostatečný vzorek pro odhad • •Více než 200 •využívá výpočtu „likelihood“ • •přidává váhu jednotlivým alelám na základě jejich frekvence • •možnost nastavení míry genotypizační chyby, bere v úvahu nulové alely CERVUS CERVUS •PRVNÍ VERZE •Marshall TC, Slate J, Kruuk LEB, Pemberton JM (1998) Statistical confidence for likelihood-based paternity inference in natural populations. Molecular Ecology 7 (5) , 639–655 •AKTUÁLNÍ VERZE 3.0 •Kalinowski ST, Taper ML, Marshall TC (2007) Revising how the computer program CERVUS accommodates genotyping error increases success in paternity assignment. Molecular Ecology 16: 1099-1006. • •DOWNLOAD - www.fieldgenetics.com •Možnost použití • • a) hledáme otce • b) hledáme matku • c) hledáme oba rodiče • d) hledáme oba rodiče, ale neznáme pohlaví jednotlivých kandidátů CERVUS Typický příklad: Maternita a paternita u netopýrů M M M M M M M F F F F F F F F F F F F F F J J J J J J J J J Pipistrellus nathusii – jižní Čechy (Jahelková, Hulva, Bryja) Omezení v programu CERVUS •pouze diploidní data • •pouze kodominantní lokusy (např. mikrosatelity) • •lokusy nesmí být ve vazbě (test v Genepop 4.0) • •jen malé odchylky od HW rovnováhy Vstupní soubor •2 možnosti • – vytvoření csv souboru v MS Excell – – konverze z formátu jiného programu (Genepop, Kinship, Genetix) Vytvoření csv souboru Input file – konverze z jiného formátu •Příklad – konverze z Genetix funkce CONCATENATE Uložit jako „Text oddělený tabulátory“ Cesta v Genetix: Fichier ® Importer ® vybrat soubor, označit Text avec séparateur pokračovat volbou Fichier ® Enregister sous ® Načtení dat do Cervus Otevření souboru: .CSV File ® View text file ® vybrat soubor Z Genetix Tools ® Convert genotype file ® Genetix to Cervus ® vybrat soubor (Source file) a vybrat umístění a název konvertovaného souboru (Save as) Analýza dat 1) Frekvence alel lépe počítat pouze pro dospělce, bez mláďat Analýza dat Locus k N HObs HExp PIC NE-1P NE-2P NE-PP NE-I NE-SI HW F(Null) loc1 4 6 0.667 0.773 0.652 0.721 0.555 0.385 0.141 0.431 NS +0.0167 loc2 5 6 0.833 0.818 0.708 0.658 0.481 0.300 0.105 0.401 * -0.0355 loc3 5 6 0.667 0.803 0.692 0.674 0.498 0.315 0.114 0.410 *** +0.0050 počet alel počet zgenotypovaných jedinců pozorovaná heterozygotnost očekávaná heterozygotnost míra informativnosti daného polymorfismu non-exlusion probabilities p pro test na nulové alely p pro test odchylky od HW rovnováhy Analýza dat 2) Simulace lépe počítat pouze pro dospělce, bez mláďat Analýza dat – výstup simulace Analýza dat •3) Vlastní určení paternity (a/nebo maternity) Kroky před a)vytvoření souboru s mláďaty b) b) vytvoření souboru s potencionálními otci (resp. matkami) Analýza dat 3) Vlastní určení paternity Analýza dat Analýza dat výběr zobrazení výsledků analýzy Výstup • před otevřením souboru s výstupem je třeba opět vyměnit čárky za středník • • mismatch – nesedící alely, nemožné zdědit po rodičích (může být ale způsoben nějakou chybou) • • non-exclusion probability – pravděpodobnost, že nepříbuzný kandidát není vyloučen jako rodič Výstup • • LOD skóre – přirozený logaritmus pravděpodobnosti - menší než 0 – spíše není rodičem - rovný 0 – může být a nemusí být rodičem - větší než 0 – může být rodičem - • hodnota Delta – rozdíl mezi dvěma nejbližšími LOD skóre. Její kritická hodnota je vypočítávána při simulacích • • znak * označuje otce/matky určené s 95% pravděpodobností • znak + označuje otce/matky určené s 80% pravděpodobností • znak – označuje nejpravděpodobnějšího otce/matku, který ale není určen jako rodič Výstup PŘÍKLADY matka, otec, mládě, alela, LOD skóre…. PŘÍKLAD 1 •máme 5 mláďat, známe jejich matky • •existuje 10 potencionálních otců, každý z kandidátů může být otcem každého z mláďat • •soubory: genotypy, mláďata, otcové •máme 5 mláďat, neznáme jejich matky ani otce, zajímají nás jen matky • •existuje 10 potenciálních matek pro všechna mláďata • •soubory: jen genotypy2, ostatní soubory je třeba vytvořit PŘÍKLAD 2 •10 mláďat, neznáme ani otce, ani matku • •k dispozici genotypy 10 samců a 15 samic • •soubory – jen genotypy3, zbytek je třeba vytvořit PŘÍKLAD 3 •opět 5 mláďat, známe jejich matky • •pro každé mládě existují 4 kandidátní otcové (označení kand, číslo mláděte, písmeno a-d) • •soubory – pouze genotypy4, zbytek třeba vytvořit PŘÍKLAD 4