Эффективный размер популяции

редактировать

Эффективный размер популяции - это количество особей, которое идеализированная популяция будет необходимо иметь для того, чтобы некоторая заданная величина интереса была такой же в идеализированном населении и в реальном населении. Идеализированные популяции основаны на нереалистичных, но удобных упрощениях, таких как случайное спаривание, одновременное рождение каждого нового поколения, постоянный размер популяции и равное количество детей на одного родителя. В некоторых простых сценариях эффективный размер популяции - это количество размножающихся особей в популяции. Однако для большинства представляющих интерес количеств и большинства реальных групп населения численность населения переписи N реального населения обычно больше, чем эффективная численность населения N e. Одна и та же популяция может иметь несколько эффективных размеров популяции для разных представляющих интерес свойств, в том числе для разных генетических локусов.

Эффективный размер популяции чаще всего измеряется относительно времени слияния. В идеализированной диплоидной популяции без отбора в каком-либо локусе ожидаемое время слияния в поколениях равно удвоенному размеру популяции переписи. Эффективный размер популяции измеряется как внутривидовое генетическое разнообразие, деленное на четыре раза частота мутаций μ {\ displaystyle \ mu}\ mu , потому что в у такой идеализированной популяции гетерозиготность равна 4 N μ {\ displaystyle 4N \ mu}{\ displaystyle 4N \ mu} . В популяции с отбором по многим локусам и многочисленным неравновесием по сцеплению объединенный эффективный размер популяции может вообще не отражать размер переписной популяции или может отражать его логарифм.

Концепция эффективного размера популяции была введена в области популяционной генетики в 1931 году американским генетиком Сьюэллом Райт.

Содержание

  • 1 Обзор: Типы эффективного размера популяции
    • 1.1 Эмпирические измерения
  • 2 Эффективный размер дисперсии
    • 2.1 Теоретические примеры
      • 2.1.1 Вариации в размере популяции
      • 2.1.2 Двудомность
      • 2.1.3 Разница в репродуктивном успехе
      • 2.1.4 Нефишерианские соотношения полов
  • 3 Эффективный размер инбридинга
    • 3.1 Теоретический пример: перекрывающиеся поколения и возрастная структура населения
      • 3.1.1 Гаплоид
      • 3.1.2 Диплоид
  • 4 Эффективный размер коалесцирующего элемента
  • 5 Эффективный размер выбора
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Обзор: Типы эффективного размера популяции

В зависимости от количества представляющих интерес, эффективная численность населения может быть определена несколькими способами. Рональд Фишер и Сьюэлл Райт первоначально определили это как «количество размножающихся особей в идеализированной популяции, у которых будет одинаковая дисперсия аллеля . частоты при случайном генетическом дрейфе или такое же количество инбридинга, что и в рассматриваемой популяции ". В более общем смысле, эффективный размер популяции может быть определен как количество особей в идеализированной популяции, значение любой генетической величины данной популяции равно значению этой величины в интересующей популяции. Две генетические величины популяции, идентифицированные Райтом, были: увеличение дисперсии на одно поколение среди реплицируемых популяций (эффективный размер дисперсии) и изменение коэффициента инбридинга (эффективный размер популяции инбридинга) на одно поколение. . Эти два тесно связаны и получены из F-статистики, но они не идентичны.

Сегодня эффективная численность населения обычно оценивается эмпирически в отношении пребывания или время слияния, оцениваемое как внутривидовое генетическое разнообразие, деленное на частоту мутаций, что дает эффективный размер сливающейся популяции . Другой важный эффективный размер популяции - это эффективный размер выборки 1 / с критический, где s критический - критическое значение коэффициента выбора, при котором отбор становится более важным, чем генетический дрейф.

Эмпирические измерения

В популяциях дрозофилы при переписной численности 16 эффективный размер дисперсии равен 11,5. Это измерение было достигнуто путем изучения изменений частоты нейтрального аллеля от поколения к поколению в более чем 100 реплицированных популяциях.

Для объединения эффективных размеров популяции обзор публикаций по 102 главным образом диким животным и видам растений дал 192 отношения N e / N. В обследованных исследованиях использовалось семь различных методов оценки. Соответственно, это соотношение широко варьировалось от 10 для тихоокеанских устриц до 0,994 для человека, в среднем 0,34 для исследованных видов. Генеалогический анализ людей-охотников-собирателей (Eskimos ) определил соотношение эффективной численности популяции к зарегистрированной по переписи для гаплоидных (митохондриальная ДНК, Y-хромосомная ДНК) и диплоидных (аутосомная ДНК) локусов по отдельности: соотношение эффективный размер популяции для переписи был оценен как 0,6–0,7 для аутосомной и X-хромосомной ДНК, 0,7–0,9 для митохондриальной ДНК и 0,5 для ДНК Y-хромосомы.

Эффективный размер дисперсии

Ссылки отсутствуют В модели идеализированной популяции Райта-Фишера, условная дисперсия частоты аллелей p '{\ displaystyle p'}p', учитывая частота аллеля p {\ displaystyle p}p в предыдущем поколении равна

var ⁡ (p '∣ p) = p (1 - p) 2 N. {\ displaystyle \ operatorname {var} (p '\ mid p) = {p (1-p) \ over 2N}.}\operatorname {var}(p'\mid p)={p(1-p) \over 2N}.

Пусть var ^ (p' ∣ p) {\ displaystyle {\ widehat {\ operatorname {var}}} (p '\ mid p)}\widehat {\operatorname {var}}(p'\mid p)обозначают такую ​​же, как правило, большую дисперсию в рассматриваемой фактической совокупности. Эффективный размер дисперсии N e (v) {\ displaystyle N_ {e} ^ {(v)}}N_ {e} ^ {{(v)}} определяется как размер идеализированной генеральной совокупности с такой же дисперсией. Это можно найти, заменив var ^ (p '∣ p) {\ displaystyle {\ widehat {\ operatorname {var}}} (p' \ mid p)}\widehat {\operatorname {var}}(p'\mid p)на var ⁡ (p '∣ p) {\ displaystyle \ operatorname {var} (p' \ mid p)}\operatorname {var}(p'\mid p)и решение для N {\ displaystyle N}N , что дает

N e (v) = p (1 - p) 2 var ^ (p). {\ displaystyle N_ {e} ^ {(v)} = {p (1-p) \ over 2 {\ widehat {\ operatorname {var}}} (p)}.}N_ {e} ^ {{(v)}} = {p (1-p) \ over 2 \ widehat {\ operatorname {var}} (p)}.

Теоретические примеры

В следующих примерах одно или несколько допущений строго идеализированной совокупности ослаблены, а другие допущения сохранены. Затем вычисляется эффективный размер дисперсии более расслабленной модели популяции относительно строгой модели.

Изменения численности населения

Размер популяции меняется со временем. Предположим, есть t неперекрывающихся поколений, тогда эффективный размер популяции определяется гармоническим средним размеров популяции:

1 N e = 1 t ∑ i = 1 t 1 N i {\ displaystyle {1 \ over N_ {e}} = {1 \ over t} \ sum _ {i = 1} ^ {t} {1 \ over N_ {i}}}{1 \ over N_ {e}} = {1 \ over t} \ sum _ {{i = 1}} ^ {t} {1 \ более N_ {i}}

Например, скажем, размер популяции был N = 10, 100, 50, 80, 20, 500 для шести поколений (t = 6). Тогда эффективный размер совокупности - это среднее гармоническое из них, что дает:

1 N e {\ displaystyle {1 \ over N_ {e}}}{1 \ больше N_ {e}} = 1 10 + 1 100 + 1 50 + 1 80 + 1 20 + 1 500 6 {\ displaystyle = {{\ begin {matrix} {\ frac {1} {10}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1 } {100}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {50}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {80} } \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {20}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {500}} \ end { матрица}} \ более 6}}= {{\ begin {matrix} {\ frac {1} {10}} \ end {matrix}} + { \ begin {matrix} {\ frac {1} {100}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {50}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix } {\ frac {1} {80}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {20}} \ end {matrix}} + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {500}} \ end {matrix}} \ over 6}
= 0,1945 6 {\ displaystyle = {0,1945 \ более 6}}= {0,1945 \ больше 6}
= 0,032416667 {\ displaystyle = 0,032416667}= 0,032416667
N e {\ displaystyle N_ {e}}N_e = 30,8 {\ displaystyle = 30,8}= 30,8

Обратите внимание, что это меньше, чем среднее арифметическое размера генеральной совокупности, которое в этом примере равно 126,7. В среднем гармоническом значении преобладает наименьшее узкое место, через которое проходит совокупность.

Двудомность

Если популяция раздельнополая, то есть нет самооплодотворения, то

N e = N + 1 2 { \ displaystyle N_ {e} = N + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}}}N_ {e} = N + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}}

или, в более общем смысле,

N e = N + D 2 {\ displaystyle N_ {e} = N + {\ begin {matrix} {\ frac {D} {2}} \ end {matrix}}}N_ {e} = N + {\ begin {matrix} {\ frac {D} {2}} \ end {matrix}}

где D представляет раздельнополость и может принимать значение 0 (не раздельнополость) или 1 для раздельнополых.

Когда N велико, N e приблизительно равно N, поэтому обычно это тривиально и часто игнорируется:

N e = N + 1 2 ≈ N {\ displaystyle N_ {e } = N + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ приблизительно N \ end {matrix}}}N_ {e} = N + {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ приблизительно N \ end {matrix}}

Разница в репродуктивном успехе

Если размер популяции должен оставаться постоянным, каждый человек должен внести в следующее поколение в среднем две гамет. Идеализированная популяция предполагает, что это соответствует распределению Пуассона, так что дисперсия количества внесенных гамет, k равна среднему количеству внесенных вкладов, т. Е. 2 :

var ⁡ (k) = k ¯ = 2. {\ displaystyle \ operatorname {var} (k) = {\ bar {k}} = 2.}\ operatorname {var} (k) = { \ bar {k}} = 2.

Однако в естественных популяциях дисперсия часто бывает больше, чем это. Подавляющее большинство особей может не иметь потомства, и следующее поколение происходит только от небольшого числа особей, поэтому

var ⁡ (k)>2. {\ displaystyle \ operatorname {var} (k)>2.}\operatorname {var}(k)>2.

Тогда эффективный размер популяции будет меньше и определяется следующим образом:

N e (v) = 4 N - 2 D 2 + var ⁡ (k) {\ displaystyle N_ {e} ^ {(v)} = {4N-2D \ over 2+ \ operatorname {var} (k)}}N_ {e} ^ {{(v)}} = {4N-2D \ over 2+ \ operatorname {var} (k)}

Обратите внимание, что если дисперсия k меньше 2, N e больше N. В крайнем случае, когда в популяции не наблюдается изменений в размере семьи, в лабораторной популяции, в которой количество потомков искусственно контролируется, V k = 0 и N e = 2N.

Нефишерианские соотношения полов

Когда соотношение полов в популяции отличается от Рыболовецкого 1: 1, эффективный размер населения определяется как:

N e (v) = N e (F) = 4 N m N f N m + N f {\ displaystyle N_ {e} ^ {(v) } = N_ {e} ^ {(F)} = {4N_ {m} N_ {f} \ over N_ {m} + N_ {f}}}N_ {e} ^ {{(v)}} = N_ {e} ^ { {(F)}} = {4N_ {m} N_ {f} \ over N_ {m} + N_ {f}}

Где N m - число мужчин и N f количество женщин. Например, с 80 мужчинами и 20 женщинами (абсолютная численность населения 100):

N e {\ displaystyle N_ {e}}N_e = 4 × 80 × 20 80 + 20 {\ displaystyle = {4 \ times 80 \ times 20 \ over 80 + 20}}= {4 \ умножить на 80 \ умножить на 20 \ больше 80 + 20}
= 6400100 {\ displaystyle = {6400 \ over 100}}= {6400 \ более 100}
= 64 {\ displaystyle = 64}= 64

Опять же, это приводит к N e меньше N.

Эффективный размер инбридинга

В качестве альтернативы, эффективный размер популяции можно определить, отметив, как средний коэффициент инбридинга изменяется от от одного поколения к другому, а затем определение N e как размер идеализированной популяции, которая имеет такое же изменение среднего коэффициента инбридинга, что и рассматриваемая популяция. Изложение следует за Kempthorne (1957).

Для идеализированной популяции коэффициенты инбридинга следуют рекуррентному уравнению

F t = 1 N (1 + F t - 2 2) + (1 - 1 N) F t - 1. {\ displaystyle F_ {t} = {\ frac {1} {N}} \ left ({\ frac {1 + F_ {t-2}} {2}} \ right) + \ left (1 - {\ frac {1} {N}} \ right) F_ {t-1}.}F_ {t} = {\ frac { 1} {N}} \ left ({\ frac {1 + F _ {{t-2}}} {2}} \ right) + \ left (1 - {\ frac {1} {N}} \ right) F _ {{t-1}}.

Используя панмиктический индекс (1 - F) вместо коэффициента инбридинга, мы получаем приближенное рекуррентное уравнение

1 - F t = P t = P 0 (1 - 1 2 N) t. {\ displaystyle 1-F_ {t} = P_ {t} = P_ {0} \ left (1 - {\ frac {1} {2N}} \ right) ^ {t}.}1-F_ {t} = P_ {t} = P_ {0} \ left (1 - {\ frac {1} {2N}} \ right) ^ {t}.

Разница на поколение равно

P t + 1 P t = 1 - 1 2 N. {\ displaystyle {\ frac {P_ {t + 1}} {P_ {t}}} = 1 - {\ frac {1} {2N}}.}{\ frac {P _ {{t + 1}}} {P_ {t}}} = 1 - {\ frac {1} {2N}}.

Эффективный размер инбридинга можно найти, решив

P t + 1 P t = 1 - 1 2 N e (F). {\ displaystyle {\ frac {P_ {t + 1}} {P_ {t}}} = 1 - {\ frac {1} {2N_ {e} ^ {(F)}}}.}{\ frac {P _ {{t + 1}}} {P_ {t}}} = 1 - {\ frac {1} {2N_ {e} ^ {{( F)}}}}.

Это

N е (F) = 1 2 (1 - P t + 1 P t) {\ displaystyle N_ {e} ^ {(F)} = {\ frac {1} {2 \ left (1 - {\ frac {P_ {t + 1}} {P_ {t}}} \ right)}}}N_ {e} ^ {{(F)}} = {\ frac {1} {2 \ left (1 - {\ frac {P _ {{t + 1}}}} {P_ {t}}} \ right)}}

, хотя исследователи редко используют это уравнение напрямую.

Теоретический пример: перекрывающиеся поколения и популяции с возрастной структурой

Когда организмы живут дольше одного сезона размножения, эффективные размеры популяции должны учитывать таблицы дожития для виды.

Гаплоид

Предположим гаплоидную популяцию с дискретной возрастной структурой. Примером может служить организм, способный пережить несколько отдельных сезонов размножения. Далее, определите следующие характеристики возрастной структуры:

vi = {\ displaystyle v_ {i} =}v_ {i} = Репродуктивная ценность Фишера для возраста i {\ displaystyle i}i ,
ℓ i = { \ displaystyle \ ell _ {i} =}\ ell _ {i} = Вероятность дожить до возраста i {\ displaystyle i}i и
N 0 = {\ displaystyle N_ {0} =}N_ {0} = Число новорожденных особей за сезон размножения.

время поколения рассчитывается как

T = ∑ i = 0 ∞ ℓ ivi = { \ displaystyle T = \ sum _ {i = 0} ^ {\ infty} \ ell _ {i} v_ {i} =}T = \ sum _ {{i = 0}} ^ {\ infty} \ ell _ {i} v_ {i} = средний возраст воспроизводящей особи

Затем эффективная популяция инбридинга Размер равен

N e (F) = N 0 T 1 + ∑ i ℓ i + 1 2 vi + 1 2 (1 ℓ i + 1 - 1 ℓ i). {\ displaystyle N_ {e} ^ {(F)} = {\ frac {N_ {0} T} {1+ \ sum _ {i} \ ell _ {i + 1} ^ {2} v_ {i + 1 } ^ {2} ({\ frac {1} {\ ell _ {i + 1}}} - {\ frac {1} {\ ell _ {i}}})}}.}N_ {e} ^ {{(F)}} = {\ frac {N_ {0} T} {1+ \ sum _ {i} \ ell _ {{i + 1} } ^ {2} v _ {{i + 1}} ^ {2} ({\ frac {1} {\ ell _ {{i + 1}}}} - {\ frac {1} {\ ell _ {i }}})}}.

Диплоид

Аналогичным образом эффективное число инбридинга можно рассчитать для диплоидной популяции с дискретной возрастной структурой. Впервые это было дано Джонсоном, но обозначение более похоже на Эмига и Поллака.

Предположим те же основные параметры для таблицы дожития, что и для гаплоидного случая, но с различием между мужчиной и женщиной, например N 0 и N 0 для количества новорожденных самок и самцов соответственно (обратите внимание на нижний регистр ƒ для самок по сравнению с прописным F для инбридинга).

Эффективное число инбридинга:

1 N e (F) = 1 4 T {1 N 0 f + 1 N 0 m + ∑ i (ℓ i + 1 f) 2 (vi + 1 f)) 2 (1 ℓ i + 1 f - 1 ℓ, если) + ∑ i (ℓ i + 1 m) 2 (vi + 1 m) 2 (1 ℓ i + 1 m - 1 ℓ im)}. {\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {1} {N_ {e} ^ {(F)}}} = {\ frac {1} {4T}} \ left \ {{\ frac {1} { N_ {0} ^ {f}}} + {\ frac {1} {N_ {0} ^ {m}}} + \ sum _ {i} \ left (\ ell _ {i + 1} ^ {f} \ right) ^ {2} \ left (v_ {i + 1} ^ {f} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {1} {\ ell _ {i + 1} ^ {f}} } - {\ frac {1} {\ ell _ {i} ^ {f}}} \ right) \ right. \, \, \, \, \, \, \, \, \\\ left. { } + \ sum _ {i} \ left (\ ell _ {i + 1} ^ {m} \ right) ^ {2} \ left (v_ {i + 1} ^ {m} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {1} {\ ell _ {i + 1} ^ {m}}} - {\ frac {1} {\ ell _ {i} ^ {m}}} \ right) \ right \ }. \ end {align}}}{\ begin {align} {\ frac {1} {N_ {e} ^ {{(F)}}}}} = {\ frac {1} { 4T}} \ left \ {{\ frac {1} {N_ {0} ^ {f}}} + {\ frac {1} {N_ {0} ^ {m}}} + \ sum _ {i} \ left (\ ell _ {{i + 1}} ^ {f} \ right) ^ {2} \ left (v _ {{i + 1}} ^ {f} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {1} {\ ell _ {{i + 1}} ^ {f}}} - {\ frac {1} {\ ell _ {i} ^ {f}}} \ right) \ right. \, \, \, \, \, \, \, \, \\\ left. {} + \ sum _ {i} \ left (\ ell _ {{i + 1}} ^ {m} \ right) ^ { 2} \ left (v _ {{i + 1}} ^ {m} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {1} {\ ell _ {{i + 1}} ^ {m}}} - {\ frac {1} {\ ell _ {i} ^ {m}}} \ right) \ right \}. \ end {align}}

Эффективный размер слияния

Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, нейтральный аллель остается в популяции для поколений Ne, где Ne - эффективный размер популяции. Идеализированная диплоидная популяция будет иметь попарное нуклеотидное разнообразие, равное 4 μ {\ displaystyle \ mu}\ mu Ne, где μ {\ displaystyle \ mu}\ mu - частота мутаций. Таким образом, эффективный размер популяции может быть оценен эмпирически путем деления нуклеотидного разнообразия на частоту мутаций.

Эффективный размер слияния может иметь мало отношения к количеству индивидуумов, физически присутствующих в популяции. Измеренные эффективные размеры коалесцирующих популяций варьируются между генами в одной и той же популяции, будучи низкими в областях генома с низкой рекомбинацией и высокими в областях генома с высокой рекомбинацией. В нейтральной теории время пребывания пропорционально N, но для аллелей при отборе время пребывания пропорционально log (N). Генетический автостоп может привести к тому, что нейтральные мутации будут иметь время пребывания, пропорциональное log (N): это может объяснить взаимосвязь между измеренным эффективным размером популяции и скоростью локальной рекомбинации.

Эффективный размер отбора

В идеализированной модели Райта-Фишера судьба аллеля, начиная с промежуточной частоты, в значительной степени определяется выбором, если коэффициент отбора s 1 / N, и в значительной степени определяется нейтральным генетическим дрейфом, если s 1 / N. В реальных популяциях значение отсечки s может зависеть от скорости локальной рекомбинации. Этот предел отбора в реальной популяции может быть зафиксирован в игрушечной симуляции Райта-Фишера посредством соответствующего выбора Ne. Прогнозируется, что в популяциях с разными эффективными размерами популяции выборки будут развиваться совершенно разные архитектуры генома.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 08:48:16
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте