Jaki jest najbardziej zróżnicowany genetycznie gatunek?

Jaki jest najbardziej zróżnicowany genetycznie gatunek? Motyl w 20 kolorach? Bakteria, która dzieli się co 20 minut, gromadząc po drodze mutacje genetyczne?

Okazuje się, że obecnym rekordzistą może być grzyb żyjący na zbutwiałym drewnie. Ryś, z drugiej strony, charakteryzuje się bardzo niską różnorodnością genetyczną. To zła wiadomość dla rysia, ponieważ duża różnorodność genetyczna jest korzystna – pozwala organizmom przystosować się do zmian w środowisku.

Czym więc jest różnorodność genetyczna i jak gatunki ją otrzymują?

Zasadniczo różnorodność genetyczna jest miarą tego, jak często dwa fragmenty DNA z tej samej lokalizacji genomowej różnią się od siebie w obrębie populacji, powiedział Asher Cutter, profesor z Wydziału Ekologii i Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu w Toronto. DNA składa się z zasad – reprezentowanych przez litery A, T, C i G – które wraz z ich szkieletami są znane jako nukleotydy. Różnorodność genetyczną można wyrazić jako różnorodność nukleotydów lub procent pozycji w genomie, w przypadku których oczekuje się, że dwa osobniki danego gatunku będą miały różne zasady DNA.

Według badań z 2015 roku opublikowanych w czasopiśmie Molecular Biology and Evolution, rozszczepka pospolita (Schizophyllum commune) ma różnorodność nukleotydów do 20%. Według badań jest to największa różnorodność genetyczna odnotowana dla każdego eukarionta lub organizmu, którego komórki mają jądro. Innymi słowy, dwa różne grzyby będą miały różne zasady DNA w około 20 na 100 pozycji w swoich genomach. To więcej niż różnorodność genetyczna poprzedniego rekordzisty, nicienia Caenorhabditis brenneri, który według doniesień ma zróżnicowanie nukleotydów na poziomie 14,1%, według badania z 2013 r., które Cutter i współpracownicy opublikowali w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences. Uważa się, że gatunki te są genetycznie hiper-zdywersyfikowane, definiowane jako posiadające różnorodność nukleotydów większą niż 5%. Większość roślin i zwierząt ma zróżnicowanie nukleotydów poniżej tej wartości. Dla porównania, ludzie mają różnorodność nukleotydów wynoszącą około 0,1%, powiedział Cutter.

Rozszczepka pospolita to najbardziej zróżnicowany genetycznie gatunek w historii. (Zdjęcie: Minh Hoang Cong / 500px przez Getty Images)

Bakterie i wirusy mają zwykle bardzo dużą różnorodność genetyczną, powiedział Cutter. Ale trudno jest porównać różnice genetyczne między bakteriami i wirusami z jednej strony a eukariontami z drugiej strony, ponieważ gatunki są inaczej definiowane w tych kategoriach, powiedział Cutter. Dla uproszczenia ograniczymy tę dyskusję do różnorodności genetycznej eukariontów, które obejmują wszystkie zwierzęta, rośliny i grzyby na Ziemi.

„Kluczowe czynniki wpływające na różnorodność genetyczną gatunku to współczynnik mutacji, wielkość populacji i stabilność populacji” – powiedział Cutter. Różnorodność genetyczna powstaje w wyniku mutacji, więc im wyższy wskaźnik mutacji i im więcej mutacji nabiera gatunek, tym większa będzie jego różnorodność genetyczna – powiedział. Cutter zauważył, że im większa populacja, tym więcej kopii genomu jest dostępnych do gromadzenia mutacji tworzących różnorodność genetyczną. I odwrotnie, im mniejsza populacja, tym niższa jest różnorodność genetyczna. Naukowcy badający różnorodność genetyczną koncentrują się na liczbie osobników w populacji, które rozmnażają się, a tym samym przekazują materiał genetyczny. Liczba ta nazywana jest efektywną liczebnością populacji. Choć proporcjonalna do całkowitej wielkości populacji, efektywna wielkość populacji może być znacznie mniejsza, powiedział Cutter.

Jeśli populacja przechodzi przez wąskie gardło, czyli wydarzenie, które wymazuje dużą część populacji, spędza jakiś czas jako mniejsza grupa, a następnie odbija się, różnorodność genetyczna powstałej populacji będzie niższa, dodał. Stało się to ze współczesnym żubrem (Bison bonasus), który prawie wyginął podczas I wojny światowej, kiedy to tylko 12 osobników pozostało na wolności, donosi Live Science.

Wysoka różnorodność

Rozszczepka pospolita o niebiańskiej różnorodności genetycznej występuje na każdym kontynencie oprócz Antarktydy, co daje mu bardzo dużą efektywną wielkość populacji – rzędu milionów. Grzyb ma również niezwykle wysoki współczynnik mutacji, zgodnie z artykułem z 2015 roku – około 10 razy większy niż muszka owocowa Drosophila melanogaster. Oba czynniki prawdopodobnie przyczyniają się do dużej różnorodności genetycznej grzyba, napisali autorzy w swoim artykule.

Cutter dodał, że duża efektywna liczebność populacji – także w milionach – prawdopodobnie wyjaśnia nadmierną różnorodność nicienia C. brenneri. „Gatunek ten występuje w tropikalnych częściach świata, gdzie [robaki] zjadają bakterie w gnijących owocach i gnijącej roślinności, niewiarygodnie obfitym źródle żywności dostępnym przez większą część roku” – powiedział Cutter. Są również małe – mają około 1 milimetra długości – co oznacza, że ​​wiele robaków może żyć na małej przestrzeni. „Uważamy, że dzięki [tym czynnikom] mogą osiągnąć naprawdę ogromne rozmiary populacji i to właśnie przyczynia się do tego, że mają tak dużą różnorodność genetyczną” – powiedział Cutter.

Różnorodność genetyczna jest ważna, ponieważ pozwala gatunkom przystosować się do zmian w ich środowisku, powiedział Cutter. „Jeśli gatunek ma bardzo niską różnorodność genetyczną, nie ma surowca, na którym mogłaby operować ewolucja” – dodał. Jeśli pojawi się choroba, która zabija organizmy, atakując wersję genu, a jest to jedyna wersja, jaką ma gatunek, choroba może wymazać cały gatunek. W przeciwieństwie do tego, jeśli gatunek ma zmienność genetyczną w obrębie genu, być może jedna jego wersja pozwoli jednostce oprzeć się chorobie, ratując gatunek.

Mała różnorodność

Jednym ze zwierząt narażonych na takie ryzyko jest ryś. Ryś iberyjski (Lynx pardinus) ma różnorodność nukleotydów wynoszącą zaledwie 0,026% – według José Godoy, ekologa molekularnego i genetyka konserwatorskiego, który bada genomikę populacji rysi w Spanish National Research Council’s Doñana Biological Station. Jednym z powodów, dla których ryś iberyjski ma tak małą zmienność genetyczną, jest to, że w ciągu ostatnich kilku stuleci przeszedł serię wąskich gardeł, które utrzymywały jego efektywną wielkość populacji poniżej 300, powiedział Godoy. Jego efektywna populacja osiągnęła najniższy poziom 30 pod koniec XX wieku, powiedział Godoy dla Live Science. Kiedy populacja się kurczy, mutacje przechodzące przez wąskie gardło, w tym szkodliwe, mogą mieć stosunkowo większy wpływ na całą populację, ponieważ ogólna populacja jest mniejsza. Na przykład, 10 szkodliwych mutacji w populacji 1000 osobników będzie miało mniejszy wpływ niż 10 szkodliwych mutacji w populacji 100. W rezultacie, “niska różnorodność genetyczna wynikająca z ostatnich wąskich gardeł również towarzyszy akumulacji umiarkowanie szkodliwych zmian, które zmniejszą ogólną kondycję,” powiedział Godoy.

Ryś iberyjski ma bardzo małą różnorodność genetyczną. (Zdjęcie: antonio liebana / www.antonioliebana.es via Getty Images)

Niska różnorodność genetyczna rysia iberyjskiego może tłumaczyć jego niską wydajność reprodukcyjną i wysoką częstość występowania chorób, które są prawdopodobnie genetyczne, powiedział. Według Czerwonej Listy Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody (IUCN) zagrożony gatunek jest narażony na takie zagrożenia, jak polowania, utrata siedlisk (związanych zarówno ze zmianą klimatu, jak i rozwojem człowieka) oraz utrata ofiar ( królików ) na skutek chorób. Według Godoya ryś euroazjatycki ma również niską różnorodność genetyczną.

Poza zagrożeniami, przed którymi stoi, ryś ma stosunkowo niską populację z innego powodu: znajduje się na szczycie łańcucha pokarmowego. Aby mieć wystarczającą ilość pożywienia, duże drapieżniki szczytowe muszą mieć mniejsze populacje niż mniejsze zwierzęta, które jedzą. „Niska liczebność drapieżników, zwłaszcza samotnych drapieżników, takich jak ryś, doprowadziłaby ich do bardzo małej różnorodności genetycznej” – powiedział Cutter. „Widzisz coś podobnego wśród gepardów” – dodał. Ten duży kot ma bardzo niską różnorodność genetyczną 0,02%.

Chociaż różnorodność genetyczna ludzi wynosząca około 0,1% jest znacznie wyższa niż u rysia, to „jest dość niska, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że na tej planecie jest wiele miliardów ludzi” – powiedział Cutter. „Powodem tego jest to, że mamy tylko miliardy ludzi w stosunkowo krótkim czasie” – dodał. „Potrzeba czasu, aby mutacje gromadziły się w populacji w miarę jej wzrostu, aby stworzyć różnorodność genetyczną”.

Szacuje się, że efektywna wielkość populacji ludzkiej w najnowszej historii jest rzędu 100 000, ale długoterminowe szacunki wielkości populacji ludzkiej są o rząd wielkości niższe i wynoszą około 10 000, powiedział Cutter. Nasza efektywna liczebność populacji nie jest milionowa, jak w przypadku rozszczepki pospolitej, ale jest znacznie większa niż rysia iberyjskiego. Cutter powiedział, że gdyby ludzie utrzymywali naszą dużą populację przez tysiące lat, spodziewałby się odpowiedniego wzrostu naszej różnorodności genetycznej.

Źródło: Ashley P. Taylor

Genomic legacy of the African cheetah, Acinonyx jubatus

Molecular hyperdiversity defines populations of the nematode Caenorhabditis brenneri

Extraordinary Genetic Diversity in a Wood Decay Mushroom

Zdjęcie: Shutterstock

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x