HW – nekonečná populace ´ v reálu velikost populace omezená Þ vyšší autozygotnost (identity by descent, IBD) Þ zvyšující se rozptyl frekvencí alel mezi démy v čase Þ fixace/extinkce alel všechny tyto jevy nepřímo úměrné velikosti populace N Použitím idealizované populace můžeme odvodit přesný kvantitativní vztah driftu a velikosti populace ® Wrightův-Fisherův model S. Wright R.A. Fisher Wrightova-Fisherova populace: diploidní, hermafroditi velikost omezená, žádné fluktuace N náhodné oplození kompletní izolace (žádný tok genů) diskrétní generace žádná věková struktura žádná selekce rozptyl výběru gamet do další generace*) ® Poissonovo rozdělení *) tj. každý jedinec může přispět 0, 1, 2, 3,…, ¥ gametami http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Poisson_pmf.svg/360px-Poisson_pmf.svg.png Poissonovo rozdělení » binomické pro velký počet pokusů (n ® ¥) a malou pravděpodobnost jevu (p ® 0) (v praxi n > 30; p £ 1/10, pak l = np) např. mutace Efektivní velikost populace Ne nám umožňuje měřit sílu driftu v neideální populaci Efektivní velikost populace = počet jedinců idealizované populace, která vykazuje stejnou míru driftu*) jako studovaná neidealizovaná populace *) zde buď zvýšení průměrné pravděpodobnosti autozygotnosti na autozomálním lokusu (NeF), nebo zvýšení rozptylu frekvencí alel přes generace nebo přes subpopulace (NeV) Díky Ne můžeme měřit sílu driftu v reálných populacích, které můžou porušovat různé předpoklady WF modelu v různé míře Např. efekt zakladatele: 1) 20 gonochoristů (ne-hermafroditů) – 10 samic, 10 samců jinak ~ WF model 2) 25 jednodomých rostlin – 50 % samosprašnost, 50 % náhodné opylení jinak ~ WF model Ve kterém případě je vliv driftu silnější? ® Ne Podobně jako u koeficientu inbreedingu neexistuje jediná efektivní velikost!! Inbreedingová efektivní velikost NeF Generace 0: F(0) = 0; velikost N Þ v každé generaci 2N gamet Generace 1: sice F(0) = 0 (IBD by mělo být 0), ale protože jde o hermafrodity (viz WF model), můžou pocházet od stejného rodiče Jaká je Pr., že 2 gamety pocházejí od stejného rodiče? protože předpokládáme náhodné oplození, Pr = 1/N jestliže došlo k samooplození, Pr. že obě alely totožné = ½ Þ celková Pr (IBD v Gen.1) = 1/N ´ ½ = 1/(2N) = F(1) tj. průměrná Pr. IBD se v 1. generaci zvýšila o 1/(2N) Generace 2: Pr. autogamie v Gen1 IBD v důsledku spojení gamet stejného prarodiče, vážená Pr., že tyto gamety už nejsou IBD díky autogamii Generace t: po několika matematických tricích: a tedy NeF závisí jen na prům. F a čase t, nezávisí na N! G. spekei, 1979, N = 19: F = 0,1283; prům. t = 1,7 Þ NeF = 6,4 (» 1/3 N) kdybychom ale vzali rodiče 19 jedinců z 1979 jako referenční generaci ® NeF pro 15 potomků = 48,1 (» 2,5 N) G. spekei, 1979, N = 19: F = 0,1283; prům. t = 1,7 Þ NeF = 6,4 (» 1/3 N) kdybychom ale vzali rodiče 19 jedinců z 1979 jako referenční generaci ® NeF pro 15 potomků = 48,1 (NeF » 2,5 N!) Þ v prvním případě NeF ukazuje rychlost akumulace inbreedingu po založení populace, ve druhém NeF kvantifikuje účinek nového – outbredního – chovného programu Efektivní velikost populace může být i vyšší než N (census population size)! Pro stejnou populaci můžeme dostat velmi rozdílné efektivní velikosti v závislosti na volbě referenční populace! problém v tom, že referenční generace 19 jedinců je z definice F = 0 Varianční (rozptylová) efektivní velikost NeV Genetický drift způsobuje 1) náhodné odchylky od frekvencí alel (p) v předchozí generaci a 2) rozdíly v p mezi subpopulacemi ® obojí měřeno pomocí rozptylu (variance) alelových frekvencí Idealizovaná populace: 1 lokus; alely A, a; velikost N, p = frekvence alely A, q = p–1 (frekvence a); x = počet alel A ve vzorku sampling alel v souladu s binomickým rozdělením protože drift nemá směr, očekávaná frekvence A v další generaci = p p = x/(2N) Rozptyl alelových frekvencí = v neidealizované populaci místo N ® NeV = počet A/celk. počet alel GD_Divergence.tif Rozptyl v čase roste Þ po t generacích: Var(pt) ® st2 varianční efektivní velikost frekvence A v počáteční generaci = 1 - p závisí pouze na Var, p, q a t, nezávisí na N! s t ® ¥ Var ® Var(max) = pq (= stav, kdy všechny alely buď fixovány, nebo ztraceny) G. spekei, N = 15: rodiče 19 jedinců z 1979 jako referenční generace ® NeV = 20,1 (NeF = 48,1 » 239 % NeV) Inbreeding, drift a ztráta alelické diverzity: Ani démový, ani rodokmenový inbreeding nemá přímý dopad na frekvence alel Þ sám o sobě ani nezrychluje, ani nezpomaluje ztrátu genetické variability V mnoha reálných, početně omezených populacích existuje negativní korelace mezi inbreedingem a variabilitou Þ drift, ne inbreeding je skutečnou příčinou ztráty genetické variability Þ inbreeding nezpůsobuje ztrátu alelické diverzity v malých populacích, její příčinou je samotné omezení velikosti populace Srovnání NeF a NeV: NeF je citlivá k počtu rodičů NeV je citlivá k počtu potomků Př.: redukce N v 21. generaci z 1000 na 4 jedince zvýšení opět na 1000 ve 22. generaci: NeF: gamety náhodně vybrány z 1000 rodičů ® 4 jedinci v gen. 21 pravděpodobnost, že dvě vybrané gamety od stejného rodiče = 1/1000 pravděpodobnost, že se tyto gamety účastnily samooplození a jsou IBD = ½ Þ prům. F ve 21. generaci = 1/2000 Þ NeF = 1000 (při N = 4!) NeV: vybráno pouze 8 gamet Þ p(21) = pq/8 Þ NeV(21) = 4 (při N = 4) Ne a démový inbreeding FIS: s rostoucím N role driftu klesá Þ víceméně náhodné oplození NeF = 5 při FIS = 0 NeF = NeV FIS = 0,1 s rostoucím N se NeF moc nezvětšuje s rostoucím N se NeV zvětšuje Ne a rozdíly v počtu potomků (rozpor s Poissonovým rozdělením): k = počet potomků (family size) Ne závisí na rozptylu k pro k = 2: velikost populace rodičů Pokud Var(k) > k, Ne < N Předpoklad WF modelu: Var(k) = k Pokud Var(k) < k, Ne > N! V Buriho experimentu N v každé generaci = 8 samců a 8 samic (N = 16) ´ jednotlivé populace dospívaly k fixaci/extinkci alel dříve než předpoklad ~ N = 10–11 důvodem např. menší počet samců, kteří se úspěšně reprodukovali nebo vyšší rozptyl potomstva (tj. Ne < N) např. pokud reprodukce jen 6 samců a 8 samic a Var(k) = 3,5 Þ Ne » 10 k > 2 Þ růst N Ne a růst/pokles N: k < 2 Þ pokles N NeF závislá na změnách N, kdežto NeV prakticky vůbec Ne a rozdíly v počtu potomků (rozpor s Poissonovým rozdělením): čím větší rozptyl počtu potomků, tím nižší NeF i NeV pokud populace roste (k > 2), NeV citlivější k rozptylu počtu potomků než NeF ´ pokud populace klesá (k < 2), NeV méně citlivá k rozptylu počtu potomků než NeF růst populace: k = 4 pokles populace: k = 1 Každý genetický znak vyžaduje vlastní Ne Pro geny na autozomech, pohlavních chromozomech a mtDNA existuje odlišná efektivní velikost populace: autozomy: Ne nebo 4Ne X, Z: ¾Ne nebo 3Ne Y, W, mtDNA: ¼Ne nebo 1Ne harmonický průměr na rozdíl od NeV závislost na rodičovské generaci Vliv kolísání populační velikosti: efektivní velikost lze aproximovat jako harmonický průměr Þ velký vliv malých N!! http://pad1.whstatic.com/images/thumb/9/9c/Calculate-the-Harmonic-Mean-Step-4.jpg/670px-Calculate-t he-Harmonic-Mean-Step-4.jpg https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRff13RjQPSJ9DvQ4AO51wRDuAypXofBW19pFs83y2kSjH aZ7pgSw http://pad1.whstatic.com/images/thumb/f/f6/Calculate-the-Harmonic-Mean-Step-2.jpg/670px-Calculate-t he-Harmonic-Mean-Step-2.jpg průměr mnohem blíž nižší hodnotě! Vliv vychýleného poměru pohlaví: předchozí výpočty a aproximace předpokládaly stejný počet samců a samic přispívajících svými geny do dalších generací Nm = počet rozmnožujících se samců, Nf = počet samic Sexratio čím větší odchylky od vyrovnaného poměru pohlaví, tím nižší Ne z uvedeného vztahu vyplývá, že pokud se v populaci bude rozmnožovat pouze jeden samec, bude Ne » 4 bez ohledu na celkový počet jedinců vliv poměru pohlaví na Ne odlišný pro různé genetické znaky: Vliv vychýleného poměru pohlaví: Elephant-Seal-3645 seal5 Př.: rypouš sloní (Mirounga leonina): v harému poměr pohlaví 1:40 ale efektivní poměr 1:4-5 díky nevěrám a krátké době dominance samce (1-2 roky) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d3/Cormon_Fernand_Le_harem_Oil_On_Canvas.jpg/ 1024px-Cormon_Fernand_Le_harem_Oil_On_Canvas.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Manuscript_of_the_Zanan-nameh_by_Fazil-Yildiz_in _the_University_of_Istanbul.jpg Jestliže na gen působí selekce, je rozptyl v počtu potomků mezi jedinci v populaci vysoký (jedinci s výhodnou alelou zanechají více potomstva) Þ Ne pro tento gen nižší než pro gen selektivně neutrální Platí i pro části genů! Geny pod selekcí: