Populačně-genetická data Základy analýzy diploidních kodominantních znaků (Mendelovská dědičnost) Typ získaných dat formát GenAlex Velké množství populačně-genetických programů Účel populačně-genetické analýzy 1. Deskriptive statistics = intrapopulation variation • genetická variabilita • počet variabilních lokusů (polymorfismus) • počet alel • heterozygotnost • Hardy-Weiberg equilibrium Genetická variabilita Polymorfismus • podíl polymorfních lokusů (znaků) – 95 % nebo 99 % (např. 0,8 = 4 z pěti zkoumaných mikrosatelitů mají v populaci alespoň 2 alely, z nichž ta vzácnější dosahuje frekvence alespoň 1% nebo 5%) Počet alel (number of alleles) • počet alel na lokus Alelická bohatost (allelic richness) • počet alel na lokus vztažený k velikosti vzorku (metodou „rarefaction“) Pozorovaná heterozygotnost (observed heterozygosity) • průměrná četnost heterozygotů v jednotlivých lokusech Očekávaná heterozygotnost (expected heterozygosity) H[oček]=1-(p^2+q^2) ..... pro 1 lokus se 2 alelami s četností p a q Použití údajů o genetické variabilitě • neutrální genetická teorie: He=4N[e]µ/[4N[e]µ+1] • mutation-drift equilibrium • srovnání různých populací a jejich Ne Hardy-Weinbergova rovnováha Odchylky od HW rovnováhy • nadbytek heterozygotů = negativní asortativní páření (tj. cílené rozmnožování nepodobných jedinců) – použité lokusy mohou být výhodné v heterozygotním stavu (např. geny MHC) • nedostatek heterozygotů • inbreeding (postihuje všechny lokusy stejně) • nulové alely (jen na některých lokusech bude deficit heterozygotů) Příklad • Genepop on the web: • http://genepop.curtin.edu.au/ • FSTAT 2. Analysis of population subdivision Hierarchická populační struktura Druh → populace → subpopulace (demy) • lokusy používané pro analýzu populační struktury jsou neutrální vůči selekci • klasický populačně-genetický přístup = jednotlivé populace jsou předem známy (např. chceme zjistit úroveň genetických rozdílů mezi dvěma lokalitami) Genetická struktura populací drift, mutace a migrace • Drift → diferenciace subpopulací díky fixaci alternativních alel • Mutace mohou zvýšit diferenciaci (odlišit subpopulace) ale riziko homoplázií • Diferenciaci „pokazí“ migrace 1 migrant na generaci může stačit k setření rozdílů! Vliv populační struktury na heterozygotnost • Extrémní příklad • Dvě izolované subpopulace s fixovanými alelami • Subpopulace v HW, celkově v populaci však nedostatek heterozygotů F-statistika • tzv. fixační indexy [• ]Wright, Nei F[IS], F[ST], F[IT] • Popisují heterozygotnost (odchylky od HW) na různých měřítkách Odhad vlivu populační struktury na genetický make-up populace Koncept heterozygotnosti F statistiky Výpočet F statistik - příklad Hodnoty F[ST] • 0 – 0.05 malá diferenciace (zanedbatelná) • 0.05 – 0.15 střední • 0.15 – 0.25 velká • > 0.25 velmi velká F statistiky popis výsledku nikoliv příčin → možná alternativní vysvětlení Příklad • FSTAT • Genetix 3. Population assignments Klasické problémy populační genetiky • Populace dány, jedinci předem zařazeni do populací, zajímají nás vlastnosti populací (F-statistiky) • Populace sice definovány, ale chceme k nim přiřadit jedince neznámého původu • Kryptická populační struktura = předem není dáno nic → chci zjistit klastry (tj. přirozené populace) a rozřadit individua do klastrů (population assignments) Unraveling migratory connectivity Genetická analýza • « very few birds have bands, but all have genotypes » • genetic data on population structure • problems: (1) week genetic differentiation among populations (widespread dispersal), (2) lack of differentiation in northern temperate zone – recent postglaciation expansion • solution: (1) more genetic markers, (2) study of avian parasites DNA Population assignment tests Klastrování – hledání „přirozených populací“ • Distance-based methods Matice párových vzdáleností (vzdálenosti mezi každým párem individuí) Znázornění mnohorozměrným grafem → klastry Explorační metoda! Důvěryhodnost klastrů není známa Závislost na distanční míře i na grafickém zobrazení Např. neighbour-joining • Model-based methods Použiji parametrický model Současně hledám parametry pro klastry a určuji členy klastrů Určím věrohodnost výsledků (Maximum likelihood, Bayesianská metoda) Bayesian clustering approach STRUCTURE - Pritchard et al. 2000 • Neznámý počet populací charakterizovaných různými frekvencemi alel → počet populací a frekvence zjišťuji • Současně přiřazuji individua do populací • Lokusy, které nejsou ve vazbě, HW uvnitř subpopulací (např. mikrosatelity, SNPs) • Možno předem zahrnout geografickou polohu individuí • Model se snaží vyložit HW nebo vazebnou nerovnováhu zavedením populační struktury • Místo přímého výpočtu – odhad pomocí Markov chain Monte Carlo Turdus helleri • Fragmenty deštného pralesa • Lokality Chawia, Ngangao, Mbololo, Yale (Kenya) • 7 mikrosatelitových lokusů • Neighbour-joining • * špatně zařazení jedinci Program STRUCTURE - Bayesiánský přístup Stanovení počtu „přirozených“ subpopulací 4. Spatially explicit analyses = spatial genetics = landscape genetics • vychází z Bayesian clustering approach (typu STRUCTURE) – individual based models • do modelování genetické informace přidává i geografické koordináty • např. programy BAPS, TESS, Geneland (automaticky stanovují nejlepší počet populací K) Př.: Geneland