Войти
Генетика сохранения - это междисциплинарное подполе популяционной генетики, направленное на понять динамику генов в популяциях, чтобы избежать их исчезновения. Поэтому он применяет генетические методы к сохранению и восстановлению биоразнообразия. Исследователи, занимающиеся генетикой сохранения, работают в различных областях, включая популяционную генетику, молекулярную экологию, биологию, эволюционную биологию и систематику. Генетическое разнообразие - один из трех основных уровней биоразнообразия, поэтому он имеет прямое значение для сохранения. Генетическая изменчивость влияет как на здоровье, так и на долгосрочную выживаемость популяций, поскольку снижение генетического разнообразия было связано со снижением приспособленности, например, с высокой смертностью молодых особей, замедлением роста популяции, сниженным иммунитетом и, в конечном итоге, с более высоким риском исчезновения.
Генетическое разнообразие - это изменчивость генов у вида. Уровень генетического разнообразия может выражаться рядом средств: наблюдаемая гетерозиготность, ожидаемая гетерозиготность, среднее количество аллелей на локус или процент полиморфные локусы.
Генетическое разнообразие определяет потенциальную приспособленность популяции и, в конечном итоге, ее долгосрочную устойчивость, поскольку гены кодируют фенотипическую информацию. Риск исчезновения был связан с низким генетическим разнообразием, и несколько исследователей задокументировали снижение приспособленности популяций с низким генетическим разнообразием. Например, низкая гетерозиготность была связана с низкой выживаемостью молодых особей, замедленным ростом популяции, малым размером тела и сокращением продолжительности жизни взрослых особей.
Гетерозиготность, фундаментальное измерение генетического разнообразия в популяционной генетике, играет важную роль в определении шансов того, что популяция переживет изменение окружающей среды, новые патогены, которые ранее не встречались, а также среднюю приспособленность популяции к последующим поколениям. Гетерозиготность также глубоко связана в теории популяционной генетики с размером популяции (которая сама по себе имеет фундаментальное значение для сохранения). При прочих равных, небольшие популяции будут менее гетерозиготными по всему геному, чем сопоставимые, но большие популяции. Эта более низкая гетерозиготность (то есть низкое генетическое разнообразие) делает небольшие популяции более восприимчивыми к проблемам, упомянутым выше.
В небольшой популяции, на протяжении последующих поколений и без потока генов вероятность спаривания с близкими родственниками становится очень высокой, что приводит к депрессии инбридинга - сокращению приспособленность населения. Сниженная приспособленность потомков близкородственных особей фундаментально связана с концепцией гетерозиготности, поскольку потомки таких пар по необходимости менее гетерозиготны (более гомозиготны) по всему геному, чем аутбредные особи. Например, диплоидный индивид с одним и тем же дедушкой по материнской и отцовской линии будет иметь гораздо более высокие шансы быть гомозиготным по любому локусу, унаследованному от отцовской копии геномов каждого из их родителей, чем индивид с неродственными дедушками по материнской и отцовской линии (каждый диплоидный индивидуум наследует одну копию своего генома от матери и одну от отца).
Высокая гомозиготность (низкая гетерозиготность) снижает приспособленность, поскольку она демонстрирует фенотипические эффекты рецессивных аллелей в гомозиготных сайтах. Отбор может способствовать поддержанию аллелей, которые снижают приспособленность гомозигот, примером из учебников является аллель бета-глобина серповидных клеток, который поддерживается на высоких частотах в популяциях, где малярия является эндемической из-за высокоадаптивного гетерозиготного фенотипа (устойчивость к малярийный паразит, Plasmodium falciparum ).
Низкое генетическое разнообразие также снижает возможности хромосомного кроссовера во время мейоза для создания новых комбинаций аллелей на хромосомах, эффективно увеличивая среднюю длину нерекомбинированных участков унаследованных хромосом. от родителей. Это, в свою очередь, снижает эффективность отбора в последующих поколениях для удаления аллелей, снижающих приспособленность, и продвижения аллелей, повышающих приспособленность, в популяции. (Простым гипотетическим примером могут быть два соседних гена - A и B - на одной хромосоме у человека. Если аллель в A способствует приспособленности «на один балл», а аллель на B снижает приспособленность «на один балл», но два гены наследуются вместе, тогда отбор не может отдавать предпочтение аллелю в точке A и штрафовать аллель в точке B - баланс пригодности равен «нулю». Рекомбинация может поменять местами альтернативные аллели в точках A и B, позволяя отбору способствовать оптимальным аллелям оптимальные частоты в популяции - но только если есть альтернативные аллели для выбора!)
Фундаментальная связь между генетическим разнообразием и размером популяции в популяционной генетике теории может быть четко прослежена в классическая популяционная генетика мера генетического разнообразия, оценка Уоттерсона, в которой генетическое разнообразие измеряется как функция эффективного размера популяции и частоты мутаций. Учитывая взаимосвязь между размером популяции, частотой мутаций и генетическим разнообразием, очевидно, что важно распознавать популяции, подверженные риску потери генетического разнообразия, до того, как возникнут проблемы в результате утраты этого генетического разнообразия. Утраченное генетическое разнообразие может быть восстановлено только с помощью мутации и генного потока. Если вид уже находится на грани исчезновения, скорее всего, не будет популяций, которые можно было бы использовать для восстановления разнообразия за счет потока генов, и любая данная популяция будет (по определению) небольшой, и поэтому разнообразие будет накапливаться в этой популяции путем мутации намного медленнее, чем это было бы в сопоставимой, но более крупной популяции (поскольку существует меньше особей, чьи геномы мутируют в меньшей популяции, чем в большей популяции).
Конкретные генетические методы используются для оценки геномов вида в отношении конкретных проблем сохранения, а также общей структуры популяции. Этот анализ может быть выполнен двумя способами: с использованием текущей ДНК отдельных лиц или исторической ДНК.
Методы анализа различий между людьми и популяциями включают
Эти различные методы ориентированы на разные переменные области геномов животных и растений. Необходимая конкретная информация определяет, какие методы используются и какие части генома анализируются. Например, митохондриальная ДНК у животных имеет высокий уровень замен, что делает ее полезной для выявления различий между людьми. Однако он наследуется только по женской линии, а митохондриальный геном относительно невелик. У растений митохондриальная ДНК имеет очень высокий уровень структурных мутаций, поэтому редко используется для генетических маркеров, поскольку вместо этого можно использовать хлоропластный геном. Также часто используются другие сайты в геноме, подверженные высокой частоте мутаций, такие как главный комплекс гистосовместимости и микросателлиты и минисателлиты.
Эти методы могут предоставить информацию о долгосрочном сохранении генетического разнообразия и разъяснить демографические и экологические вопросы, такие как таксономия.
Другой метод - использование исторической ДНК для генетического анализа. Историческая ДНК важна, потому что позволяет генетикам понять, как виды реагировали на изменения условий в прошлом. Это ключ к пониманию реакции подобных видов в будущем.
Методы использования исторической ДНК включают изучение сохранившихся останков, найденных в музеях и пещерах. Музеи используются потому, что существует широкий спектр видов, доступных ученым во всем мире. Проблема с музеями заключается в том, что исторические перспективы важны, потому что понимание того, как виды реагировали на изменения условий в прошлом, является ключом к пониманию реакции подобных видов в будущем. Свидетельства, найденные в пещерах, обеспечивают более длительную перспективу и не беспокоят животных.
Другой метод, основанный на специфической генетике человека, - это неинвазивный мониторинг, при котором используется ДНК, выделенная из органического материала, оставленного индивидуумом, например перо. Это также позволяет избежать причинения вреда животным и может предоставить информацию о поле, передвижении, родстве и питании человека.
Для коррекции генетических факторов, ведущих к исчезновению и риску исчезновения, можно использовать другие более общие методы. Например, для минимизации инбридинга и увеличения генетической изменчивости можно предпринять несколько шагов. Повышение гетерозиготности за счет иммиграции, увеличение интервала между поколениями за счет криоконсервации или разведения от более старых животных и увеличение эффективного размера популяции за счет выравнивания размера семьи - все это помогает минимизировать инбридинг и его эффекты. Вредные аллели возникают в результате мутаций, однако некоторые рецессивные могут стать более распространенными из-за инбридинга. Вредные мутации, возникающие в результате инбридинга, можно удалить с помощью очистки или естественного отбора. Популяции, выращенные в неволе с намерением вернуться в дикую природу, страдают от адаптации к неволе.
Инбридинговая депрессия, потеря генетического разнообразия и генетическая адаптация к неволе неблагоприятны в дикой природе, и многие из этих проблем могут можно решить с помощью вышеупомянутых методов, направленных на увеличение гетерозиготности. Помимо создания среды обитания в неволе, которая очень похожа на дикую природу, и фрагментации популяций, чтобы уменьшить реакцию на отбор, также помогает снизить адаптацию к неволе.
Решения по минимизации факторов, которые приводят к исчезновению и риску исчезновения, часто перекрываются потому что сами факторы перекрываются. Например, вредные мутации добавляются к популяциям в результате мутаций, однако вредные мутации, которые интересуют биологов, занимающихся консервацией, - это те, которые вызваны инбридингом, потому что именно о них можно позаботиться, уменьшив инбридинг. Здесь методы уменьшения инбридинга также помогают уменьшить накопление вредных мутаций.
Эти методы имеют широкое применение. Одно из применений этих специфических молекулярных методов - определение видов и подвидов лососевых. Гибридизация является особенно важной проблемой для лососевых, и это имеет широкомасштабные природоохранные, политические, социальные и экономические последствия. В мтДНК и аллоферментном анализе головорезов форели было показано, что гибридизация между местными и неместными видами является одним из основных факторов, способствующих сокращению их популяций. Это привело к попыткам удалить некоторые гибридизированные популяции, чтобы коренные популяции могли более охотно размножаться. Подобные случаи влияют на все, от экономики местных рыбаков до крупных компаний, таких как лесозаготовительные. Конкретные молекулярные методы привели к более тщательному анализу таксономических взаимоотношений, что является одним из факторов, которые могут привести к вымиранию, если неясны.
Новые технологии в природоохранной генетике имеют много значений для будущего природоохранной биологии. На молекулярном уровне развиваются новые технологии. Некоторые из этих методов включают анализ мини-спутников и MHC. Эти молекулярные методы имеют более широкий эффект - от выяснения таксономических отношений, как в предыдущем примере, до определения лучших особей для повторного введения в популяцию для восстановления путем определения родства. Эти эффекты имеют еще более серьезные последствия. Сохранение видов имеет значение для людей в экономической, социальной и политической сферах. В биологической сфере было показано, что повышенное генотипическое разнообразие способствует восстановлению экосистем, как это видно на примере сообщества трав, которое смогло противостоять нарушению пастбищных гусей за счет большего генотипического разнообразия. Поскольку разнообразие видов увеличивает функционирование экосистемы, увеличение биоразнообразия с помощью новых генетических методов сохранения имеет более широкий эффект, чем раньше.
Краткий список исследований, которые может провести природоохранный генетик, включает:
