Inbreeding a fitness Stanovení výskytu příbuzenského křížení a jeho vliv na individuální fitness Příbuzenské křížení - inbreeding (Left) Absence of inbreeding: horizontal lines connect mates, vertical lines connect parents with … [Credits : Encyclopædia Britannica, Inc.] „outbreeding“ „inbreeding“ Úvod What does „inbreeding“ mean? •F – coefficients of inbreeding • •Inbreeding because of population subdivision (FST) •Inbreeding as nonrandom mating (FIS) •Pedigree inbreeding (F) • • What does „inbreeding“ mean? •Inbreeding because of population subdivision •náhodné páření uvnitř subpopulací •odpovídá Wright´s Fst – měří inbreeding vzhledem k předpokládanému stavu, kdy by populace nebyla rozdělena increase of inbreeding because of population subdivision What does „inbreeding“ mean? •Inbreeding as nonrandom mating •jedinec je považován za inbredního pokud jeho rodiče byli více příbuzní než dva náhodně vybrají jedinci •Fis = 1-Ho/He (odchylky z HWE) •malé populace – i náhodné párování je mezi příbuznými •i jedna generace náhodného páření vrátí Fis na nulu What does „inbreeding“ mean? •Pedigree inbreeding •F = pravděpodobnost že dva homologní geny jednoho jedince jsou „identical by descent“ • •pokles heterozygotnosti v důsledku "identity by descent" • A1 A2 A1 A2 A1 A2 A2 A1 A1 A1 A1 A1 autozygous homozygous A2 A2 allozygous homozygous A2 A2 allozygous heterozygous A1 A2 shodné alely v původní populaci jsou "identical by state", ale ne "identical by descent" A1 Nárůst homozygotnosti např. self-fertilization Potomstvo Aa = 1 AA + 2 Aa + 1 aa 50% ztráta heterozygotnosti během jedné generace What does „inbreeding“ mean? Inbrední deprese •Inbrední jedinci by měli mít nižší fitness (reprodukční úspěch nebo schopnost přežívat) • •Efekt škodlivých recesivních alel (nárůst homozygotnosti) nebo pokles adaptivní variability (pokles heterozygotnosti, např. MHC) • •Známo většinou jen z laboratorního křížení (extrémní příklady) • •Studium v přírodě je obtížné • 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 Stanovení inbrední deprese •proporční redukce fitness inbredního a outbredního potomstva fitness in "selfed" progeny fitness in "outcrossed" progeny Př.: Srovnání inbredních (F = 0.25) a outbredních domácích myší - inbrední mají 11% redukci velikosti vrhu, ale přežívání do dospělosti je v laboratoři je srovnatelné - ve venkovních oplocenkách je nicméně sníženo přežívání inbredních myší o 81% u samců a 22% u samic redukce velikosti vrhu redukce venkovního přežívání Inbreeding o intenzitě F=0.25 způsobuje 57% snížení fitness Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Tedy jak příbuzní byli rodiče. •Rodokmeny – z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní • • •Heterozygotnost („heterozygosity-fitness correlations“) (průměrná heterozygotnost přes více lokusů) • Hedrick et al. Evolution 2001 Hitchings and Beebee J. Evol. Biol. 1998 Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Tedy jak příbuzní byli rodiče. • • •SH - standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu • AA AA AA AA AA AA AA AA AA AB AA AA AA AB BB AA AB AB BC BC BC AC AC AC AC CD CD CD DD AD AD AD AD CC AA AA AA AA AB AB Lokus 1 HO 0.15 Lokus 2 HO 0.85 Korekce přes frekvenci heterozygotů na lokusu → standardizovaná (vážená) heterozygotnost 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 • •d2 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? • • • • • • • • • TCTTTCTTTCTTTC CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT Rodiče nepříbuzní Rodiče příbuzní 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) CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT d2 - Jak to měřit? • ia a ib 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 Mean d2 •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 • •d2 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 Aa Bb AB Ab AA Aa Bb AB Ab AA Cc AA CA cA Identity by state Identity by descent AA AA AA AA AA AA AA AA AA AB AA AA AA AB BB AA AA AA AA Frekvence B 0,1 Frekvence A 0,9 Stejná alela na lokusu - korekce přes frekvenci alel na lokusu AA Sdílení alely A může být jen náhoda Sdílení alely B → větší pravděpodobnost, že si rodiče byli příbuzní IR internal relatedness •Sdílení alely na lokusu • •Váženo přes frekvenci alely • •Vzácnější alely mají větší váhu • • • • •H počet homozygotních lokusů N počet lokusů fi frekvence i-té alely • •Program RELATEDNESS – Mac •Makro v Excelu (Amos et al. 2001) • Další měřítka individuální heterozygotnosti •Homozygosity by loci index (HL) (Aparicio et al. 2006) – vhodný při vyšších hodnotách heterozygotnosti (např. mikrosatelity) SH, IR a d2 navzájem korelovány Amos et al. 2001 •Dataset: Tuleňi, kulohlavci, 3 druhy albatrosů • IR a SH Halichoerus grypus Diomedea exulans Thalassarche chrysostoma Thalassarche melanophrys Globicephala melas Parus caeruleus Foester et al 2003 •2452 mláďat, 5-7 mikrosatelitových lokusů, SH, IR, d2 • •SH a IR korelovány, d2 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 •d2, srovnání návratnosti sourozenců (největší úmrtnost v prvním roce) • •Vrací se jedinci s vyšším d2 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 skokan Emberiza schoeniclus Kleven & Lifjeld 2005 •9 mikrosatelitových lokusů • •SH a d2 • •Samci úspěšní v mimopárových kopulacích x podvedení samci • •Mláďata z mimopárových kopulací x párová mláďata • •Žádný rozdíl v heterozygotnosti a d2 ES Rangifer tarandus CÔTÉ et al. 2005 •9 msat lokusů • •306 samic, žaludky • •Nematoda: Ostertagia gruehneri and Marshallagia marshalli • •žádný vztah heterozygotnosti (nebo d2) a promořeností parazity • Jeleni na ostrově Rum Slate & Pemberton 2002 •Jedinci z let 1970 až 1996 • •71 mikrosatelitových lokusů, 364 jedinců, SH, Mean d2 • •Heterozygotnost: pozitivní ale slabá korelace mezi lokusy Mean d2: korelace není Malá korelace mezi SH a Mean d2 • •Heterozygotnost vysvětluje porodní váhu Mean d2 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 – • • 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 nebo HL • 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 např. z mikrosatelitů •BAYES • • diplo 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) • ANT683826 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 haplo haplo2 bee Hamilton (1972) - inkluzivní fitness 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) Matka (D) Samec (H) Dělnice (D) Dělnice (D) 1/2 3/4 1/4 1/2 1:1 3:1 Þ vzniká konflikt mezi matkou a dělnicemi Předpoklady („assumptions“): Ø samice je oplodněna jen jedním samcem Ø náklady na samce a samice jsou stejné Ø matka produkuje vajíčka a dělnice se starají o larvy