Genetinė įvairovė ir genų srauto mažėjimas didėjant montane marioms | paveldimumas

Genetinė įvairovė ir genų srauto mažėjimas didėjant montane marioms | paveldimumas

Anonim

Dalykai

  • Ekologinė genetika
  • Gyventojų genetika

Anotacija

Montane aplinka visame pasaulyje yra biologinės įvairovės „taškai“ ir svarbūs genetinės įvairovės rezervuarai. Dėl riboto diapazono ir pasklidimo apribojimų Montane rūšys taip pat paprastai yra labiau pažeidžiamos aplinkos pokyčių nei jų žemos pakopos. Čia sutelkiame dėmesį į du gausiai giminingus varpučius ( Baetis bicaudatus ir B. tricaudatus ) iš montano srautų per 1400 m aukščio nuolydžio aukštį. Naudodami vieno nukleotido polimorfizmo genotipus, mes išmatuojome šių dviejų rūšių populiacijų įvairovę ir pažeidžiamumą: (i) aprašydami genetinę įvairovę ir populiacijos struktūrą visuose aukščio gradientuose, kad nustatytume mechanizmus, kuriais grindžiama diversifikacija; ii) atlikti erdvinę kraštovaizdžio analizę, siekiant nustatyti diferenciacijos aplinkos veiksnius; ir (iii) pašalinių lokusų hipotezių, pagrindžiančių adaptacinį divergenciją, nustatymas. Šių rūšių populiacijos struktūros skirtumai buvo akivaizdūs, priklausomai nuo jų padėties išilgai aukščio gradiento. Heterozigotiškumas, efektyvus populiacijos dydis ir genų srautas mažėjo didėjant pakilimui, todėl susidarė žymi populiacijos struktūra aukštesnio pakilimo rūšyse ( B. bicaudatus ). Mažesniame aukštyje abiejų rūšių populiacijos yra genetiškai panašesnės, tai rodo nuolatinį genų srautą. Izoliacija pagal atstumą buvo nustatyta tik žemesniame aukštyje, tuo tarpu kraštovaizdžio kliūtys geriau prognozavo genetinį atstumą esant didesniems aukščiams. Didesniame aukštyje sklaida buvo ribojama dėl kraštovaizdžio padarinių, todėl populiacija buvo labiau izoliuota. Mūsų rezultatai parodo mažų erdvinių skalių diferenciaciją palei aukščio nuolydį ir pabrėžia genetinės įvairovės išsaugojimo svarbą labiau izoliuotose didelio aukščio populiacijose.

Įvadas

Dispersija yra gyvybiškai svarbus procesas, lemiantis demografinio ir genetinio kraštovaizdžio jungiamumo modelius (Baguette et al., 2013). Populiacijų sujungiamumo laipsnis ir mastas yra pagrindiniai veiksniai, lemiantys rūšies jautrumą aplinkos pokyčiams (Thomas ir kt., 2004; Bálint ir kt., 2011). Jas pirmiausia lemia organizmo pasiskirstymas ir pasiskirstymas. tinkamos buveinės visame kraštovaizdyje. Dispersija skatina atsparumą, nes organizmai, ieškodami palankių sąlygų, gali laisvai pasitraukti iš netinkamų vietų, o keisdamiesi aleliais išlaikoma genetinė įvairovė visame kraštovaizdyje.

Montano regionuose gyvenančioms rūšims pakilimo nuolydžiai turi didelę reikšmę formuojant pasklidimą ir populiacijos struktūrą dėl didelio aukščio vietų izoliacijos, vietinio prisitaikymo prie ekstremalių aplinkų ar abiejų (Hughes ir kt., 2009). Žinant, kaip genetinė įvairovė pasiskirsto aukščio gradientuose, svarbu suprasti Alpių sistemų populiacijos dinamiką ir tai daro įtaką montanto įvairovės išsaugojimui (Clarke et al., 2008; Múrria et al., 2013). Naujausi montaninių srautų skirtingos ir specifinės įvairovės tyrimai pabrėžia tiek aukštikalnių vietų kaip įvairovės rezervuarų svarbą, tiek jų pažeidžiamumą (Hughes, 2007; Finn ir kt., 2011; Vuataz ir kt., 2016). Dėl didelių pavienių populiacijų praradimo gali neproporcingai sumažėti genetinė įvairovė ir galbūt dar svarbiau - lokaliai pritaikytų genotipų praradimas (Schiffers et al., 2013). Iš tikrųjų auganti teorijos dalis prognozuoja, kad rūšies aukščio diapazono pakraščiuose gali paspartėti diversifikacija ir adaptacija (Halbritter ir kt., 2015), o daugybė tyrimų pateikia ir izoliacijos, ir diferenciacijos pavyzdžius didėjant aukščiui (Funk et al., 2005; Hodkinson, 2005).

Buveinių pasiskirstymas kraštovaizdyje gali apriboti gyventojų pasiskirstymą, kad susidarytų populiacijos struktūra trimis pagrindiniais būdais - izoliacija atstumu (IBD), izoliacija atsparumu (IBR) arba izoliacija aplinka (IBE). Kai buveinės yra prieinamos plačiu geografiniu mastu, o atstumas yra pagrindinis suvaržymo apribojimas, atsiranda IBD modelis, kuriam būdingas didėjantis genetinis atstumas didesniuose geografiniuose mastuose. Alternatyva šiam modeliui yra IBR, kuris numato, kad įsikišimo kliūtys, pavyzdžiui, statūs kalnai ar žmogaus raida, riboja ryšį. Šie kraštovaizdžio bruožai padalija populiacijas, o genetinis dreifas populiacijose, esančiose priešingose ​​barjero pusėse, pamažu lemia diferenciaciją (Cushman ir kt., 2006). IBR koncepcija buvo sukurta atsižvelgiant į sudėtingus kraštovaizdžius, kur nevienalytės buveinių matricos dalys gali slopinti, bet ne visiškai apriboti genų srautą (Shah ir McRae, 2008). Galiausiai, IBE taikoma, kai buveinės pasiskirsto pagal aplinkos nuolydžius (pvz., Pakilimas keičiasi palei kalno pakraštį), kad populiacijos gali patirti kintamą atrankinį slėgį, o adaptacija gali paskatinti diferenciaciją per gradientą, ir tai lemia modelius, kuriuose genetiniai ir aplinkos atstumai yra teigiami. koreliuoja, nepriklausomai nuo geografinio atstumo ar įsiterpusio kraštovaizdžio pasipriešinimo (Wang ir Bradburd, 2014). Nors IBE modelis neišskiria nei kitų modelių, jis yra išskirtinis, nes natūrali atranka, o ne ribotas genų srautas ir genetinis dreifas, yra evoliucijos jėga, lemianti populiacijos skirtumus.

Vandens vabzdžiai, tokie kaip Baetis bicaudatus ir B. tricaudatus, yra pagrindiniai upelių ekosistemų vartotojai ir vaidina svarbų vaidmenį upelių bendrijose. Paprastai vasarnamiai laikomi buveinių kokybės rodikliais dėl jų jautrumo aplinkos pokyčiams (Bauernfeind ir Moog, 2000). Dispersija labai skiriasi varpų rūšių rūšimis, tačiau paprastai tai lemia lervų dreifas (judėjimas pasroviui) ir suaugusiųjų skrydis (Bilton ir kt., 2001; Gattolliat, 2004; Rutschmann ir kt., 2014). Specifiniai rūšims būdingi bruožai, tokie kaip suaugusiųjų ilgaamžiškumas, sparnų struktūra ir veisimosi buveinės, yra svarbūs numatomieji pasiskirstymo gebos pokyčiai, lemiantys genetinę struktūrą (Brittain, 1982; Hughes ir kt., 2009; Alp ir kt., 2012; Paz-Vinas). et al., 2015). Su rūšimis, kurios skraido, ryšį galima išlaikyti plačiomis geografinėmis skalėmis, o jo nevaržo srauto tinklų struktūra (Bunn ir Hughes, 1997; Hughes ir kt., 2003). Tačiau margumynuose pasklidimas atrodo dažnesnis tose rūšyse, kurios lervų stadijas praleidžia stovinčiame vandenyje, tuo tarpu montanto upelio rūšys paprastai būna ištikimesnės vietai (Monaghan ir kt., 2005).

Mes panaudojome viso genomo vieno nukleotido polimorfizmo (SNP) žymenis, kad patikrintume pagrindinę hipotezę, kad Kolorado uolienų pakilimo gradientai turi įtakos genų srauto lygiams ir populiacijos struktūrai šiose dviejose montano gegužinių rūšyse. Mes sutelkėme dėmesį į dvi rūšis, turinčias skirtingus aukščio diapazonus, kad palygintume populiacijos struktūrą ir genų srautą išilgai viso aukščio gradiento. Mūsų tikslai buvo trys. Pirmiausia mes įvertinome genetinę įvairovę ir skirtumus tarp populiacijų palei aukščio gradientą, kad nustatytume mechanizmus, kuriais grindžiamas populiacijos įvairinimas. Antra, mes taikėme naujus kraštovaizdžio genominius metodus, kad pasirinktume iš izoliacijos modelių (IBD, IBR ir IBE) ir nustatytume kraštovaizdžio ypatybes, prisidedančias prie genetinės diferenciacijos. Trečia, mes įvertinome galimą vietinio adaptacijos vaidmenį esant dideliam aukščiui, nustatant pašalinius lokusus mūsų genomo SNP duomenyse ir jų koreliaciją su konkrečiais aplinkos kintamaisiais. Mūsų rezultatai pateikia įžvalgą apie montanto upelio biotos pasiskirstymo ir sujungimo modelius, pasiskirstančius pagal aukščio nuolydžius, identifikuoja kraštovaizdžio ypatybes ir tiria vietinio prisitaikymo, kaip populiacijos skirtumų skatintojo, galimybes. Apskritai integraciniai kraštovaizdžio genominiai tyrimai padeda suprasti mūsų požiūrį į tai, kaip montanų regionai palaiko rūšių genetinę įvairovę, skatina jų įvairinimą ir, savo ruožtu, padidina rūšių pažeidžiamumą išnykimo atžvilgiu.

Metodai

Tikslinės rūšys

B. tricaudatus ir B. bicaudatus rūšys aptinkamos greitai judančiuose Kolorado uolų aukštapelkėse (Dodds, 1923; Ward and Kondratieff, 1992). Baetis rūšys didžiąją savo gyvenimo ciklo dalį praleidžia vandens lervų pavidalu, taigi fitnesas yra jautrus vandens temperatūrai ir hidrologiniams sutrikimams. B. tricaudatus aptinkamas visoje Šiaurės Amerikoje, o B. bicaudatus paplitimas ribojamas vakarinėse JAV ir Kanadoje (Morihara ir McCafferty, 1979; McCafferty ir kt., 2012). Nors šios morfologiškai skiriasi, abi rūšys hibridizuojasi tose vietose, kur jos sutampa (Dodds, 1923; 1 papildomas failas 1), ir bent jau į B. tricaudatus šiuo metu gali būti įtrauktos kriptos rūšys (Gill ir kt., 2014). Kolorade mes surinkome B. tricaudatus iš žemutinio aukštupio aukštumų ~ 1500–2900 m atstumu ir B. bicaudatus nuo 2300–3 400 m aukštyje. Abiejų rūšių aukščio diapazonai sutapo nuo ~ 2300 iki 2900 m.

Empirinių duomenų apie mūsų židinių rūšių sugebėjimą skraidyti nėra. Mes tikimės, kad sklaidos potencialas turėtų būti palyginamas dėl jų panašumų, susijusių su gyvenimo istorija ir morfologiniais bruožais (Edmunds ir kt., 1976; Morihara ir McCafferty, 1979); tačiau sklaidos galimybių kitimą gali lemti daugelis veiksnių, įskaitant laiką, buveinių sąlygas ir biotinę sąveiką (Bilton et al., 2001). Taigi genetinių metodų taikymas čia yra naudinga priemonė įvertinti pasklidimą natūraliose populiacijose.

Mėginių rinkimas

Vabzdžių kolekcijos buvo atliktos, kaip aprašė Gill ir kt. (2014). Mėginiai buvo imami iš mažų (antrosios – trečiosios eilės), mažai trikdančių intakų prie pagrindinio kamieno upių iš trijų gretimų kanalizacijos kanalų, esančių Kolorado uolų rytiniame šlaite (1 pav.) - Cache la Poudre, Big Thompson ir St. Vrain. Imties pakilimai buvo nuo 1500 iki 3400 m, o tarpai tarp gretimų intakų buvo maždaug 200 m. Mėginių ėmimas iš panašaus dydžio mažo laipsnio intakų, o ne iš pagrindinio kamieno upių visuose aukščiuose, užtikrina, kad mėginio pakilimas nebūtų painiojamas su upelio dydžiu. Visose vietose vandens lervos buvo surinktos 100 m atstumu, naudojant Surber mėginių ėmiklius ir tinklelius, kurių akies kraštinės ilgis buvo 500 μm, ir ieškant povandeninių akmenų. Norint, kad svetainė būtų įtraukta į visas mūsų analizes, reikėjo tikslinio mėginio dydžio n 9. Šis tikslas buvo pasiektas visose 17 B. bicaudatus vietų , tačiau nebuvo pasiektas 4 iš 12 B. tricaudatus vietų (2 paveikslas). Visi bandiniai buvo konservuoti 100% etanolyje, kuris po 24 valandų buvo pakeistas, kad būtų užtikrintas ilgalaikis konservavimas. Atskiri vabzdžiai laboratorijoje buvo morfologiškai rūšiuojami pagal B. bicaudatus arba B. tricaudatus rūšis, kaip aprašyta Gill et al. (2014), ir referenciniai vaizdai buvo surinkti naudojant „cellSens“ skaitmeninio vaizdavimo programinę įrangą („Olympus“, „Center Valley“, PA, JAV).

Image

B. tricaudatus (juoda), B. bicaudatus (balta) arba abiejų rūšių (juodo centro ir balto kontūro) mėginių ėmimo vietos. Mėginių ėmimas apėmė tris Kolorado uolienų kanalizacijos kanalus (vaizduojami skirtingomis formomis, apskritimais: Poudre [P], kvadratais: Big Thompson [B], trikampiais: St. Vrain [S]). Vietos ID rodo drenažą (P, B arba S), po kurio eina aukštis metrais. Žvaigždė įbrėžtame paveiksle rodo mėginių ėmimo vietą Šiaurės Amerikoje. Ašys žymi ilgumą ir platumą, o žemėlapis nukreiptas į šiaurę viršuje.

Visas dydis

Image

Mėginių dydžiai ir genetinės įvairovės įvertinimai pagal a ) B. tricaudatus ir b ) B. bicaudatus vietas . Vietos ID rodo drenažą (P, B arba S), po kurio eina aukštis metrais. Stebimo heterozigotumo (H o ) ir genų įvairovės (H s ) brėžiniai parodo heterozigotumo pasiskirstymą kiekvienoje vietoje. F ST poros atspindi porų santykių pasiskirstymą tam tikroje svetainėje su visomis kitomis svetainėmis. Vietos su mažu mėginių skaičiumi ( n 8) F ST poros nebuvo apskaičiuotos. Apskritai, B. bicaudatus populiacijose yra sumažėjusi genetinė įvairovė ir padidėjęs poros F ST, atspindintis bendrą izoliacijos, dreifo ir lokalios adaptacijos poveikį.

Visas dydis

DNR ekstrahavimas ir ddRAD bibliotekos sekvenavimas

Iš kiekvieno vabzdžio išskirėme bendrą genomo DNR naudodami DNeasy Blood & Tissue Kit (Qiagen, Valensija, CA, JAV). Dvigubo virškinimo su restrikcijos vieta susietos DNR (ddRAD) sekos bibliotekos buvo sukurtos taikant Peterson et al. (2012). Kiekvienoje bibliotekoje buvo 288 unikaliai brūkšniniais kodais pažymėti / indeksuoti asmenys, tinkamo lygio multipleksavimo lygis, atsižvelgiant į mažą margumynų genomą (~ 700 Mb; Gregory, 2002). Virškinimo ir adapterio ligavimo etapai buvo sujungti ir sudaryti iš 100 ng genominės DNR (10 μl esant 10 ng μl −1 ), 15 vienetų SbfI-HF ir MspI (NEB, Ipswich, MA; kiekvienas 0, 75 μl), 300 vienetų. T4 DNR ligazė (NEB, 0, 75 μl), 3 μl 10 × CutSmart ligazės buferio (NEB), po 1, 0 μl unikaliai brūkšninio kodo SbfI-P1 adapterio (vienas iš 24) ir MspI-P2 adapteris (Integrated DNA Technologies, Coralville, IA, JAV; kiekviena 0, 25 μM), 3 μl 10 mM ATP (NEB) ir 9, 75 μl ddH2O, kai bendras reakcijos tūris yra 30 μl. Restrikcijos-ligavimo mišinys buvo inkubuotas 37 ° C temperatūroje 30 minučių ir 20 ° C temperatūroje 1 valandą, prieš tai sujungiant 20 μl iš kiekvieno iš 24 brūkšninių kodų. Kiekvienas baseinas buvo PGR amplifikuotas, naudojant 20 ng P1 / P2 pritaikytą DNR šabloną (10 μl esant 2 ng μl −1 ), 12, 5 μl 2X Phusion PCR Master Mix (2X, NEB) ir 1, 25 μl kiekvienam į priekį nukreipto pradmens ir unikaliai indeksuotam. atvirkštinis gruntas (vienas iš 12; 5 μM kiekvienas, integruotos DNR technologijos). PGR buvo sujungtos į indeksų grupes ir atrinktos pagal dydį, kad fragmentai būtų nuo 300 iki 1000 bp. Kiekviena biblioteka buvo seka iki 100 bp vienoje Illumina HI-SEQ 2500 juostoje Kornelio universiteto genomikos skyriuje.

Duomenų apdorojimas ir SNP skambinimas

Eilių apdorojimas, derinimas ir SNP skambinimas buvo atlikti su Stacks v 1.19 (Catchen ir kt., 2013). Kiekvienos rodyklės grupės rodmenys buvo padalinti brūkšniniais kodais, sutrumpinti iki standartinio 94 bp ilgio ir sekos, pažymėtos „Illumina“ kokybės filtru, buvo pašalintos naudojant scenarijų „ process_radtags“ . Pervardžius pavyzdžius pagal jų unikalius indekso / brūkšninių kodų derinius, pakartotinių pavyzdžių pogrupiai buvo naudojami klaidų lygiui įvertinti ir surinkimo parametrams optimizuoti (2 papildomas failas). Buvo atlikti trys atskiri rinkiniai. Į pirmąjį buvo įtraukti visi ( n = 1077) „ Baetis“ mėginiai. Nors morfologiniai bruožai (tai yra, vidurinio gomurio gijos ilgis) daugeliu atvejų gali patikimai atskirti B. bicaudatus nuo B. tricaudatus , egzempliorių pogrupis iš pakilimų, kai dviejų rūšių diapazonai sutampa, parodė tarpines morfologijas. Šio pirmojo surinkimo rezultatai davė hibridinį indeksą (h) kiekvienam asmeniui. Hibridinis indeksas parodo alelių, gautų iš B. tricaudatus populiacijos, dalį individe . Todėl h = 0 rodo B. bicaudatus genotipą, o h = 1 nurodo B. tricaudatus genotipą. H reikšmės buvo naudojamos patvirtinti rūšių morfologinį identifikavimą, identifikuoti rūšis hibridinėmis protėvėmis ir patvirtinti egzempliorių, kurių morfologija yra tarpinė, mažo dydžio ar trūkstamų dalių, identifikavimą. Po to buvo imami atskiri pavyzdžiai, klasifikuojami labai pasitikint (remiantis morfologija ir hibridiniais indeksais, 1 papildoma byla) kaip B. tricaudatus ( n = 241) arba B. bicaudatus ( n = 602). Kiekvienam rinkiniui buvo naudojamas scenarijus „ denovo_map“ su šiais parametrais: mažiausiai trys pakartojimai, reikalingi norint sudaryti kaminą ( -m ), du leistini neatitikimai tarp locių, kai apdorojama atskira ( -M ), keturi neatitikimai leidžiami tarp locių, statant katalogą ( -n ) ir labai pasikartojančias RAD žymas, pašalintas ar suskaidytas panaudojimo vietose.

Duomenų filtravimas buvo atliktas naudojant pasirinktinius scenarijus R (galima gauti paprašius). SNP skaičiaus pasiskirstymas kiekvienoje pozicijoje išilgai 94 bp sekų buvo kiekybiškai įvertintas visose etiketėse, kad būtų galima identifikuoti vietas su padidintu SNP skaičiumi RAD žymų pradžioje ir pabaigoje, kurias gali lemti žemos kokybės baziniai skambučiai. Pozicijos, kurių SNP skaičius viršija 1, 5x tarpkvartalinio pasiskirstymo diapazoną, buvo pašalintos, kad būtų išvengta klaidingų teigiamų rezultatų dėl sekos paklaidos. Toliau mes pašalinome SNP iš žymių, turinčių> 15 kintamų vietų, kurios galėjo būti klaidingai surinktų sekų pasekmė, kartu su lokiais, kurių aleliai buvo> 2 arba mažesni, o 70% asmenų buvo naudojami siekiant padidinti asmenų, sulaikytų tose vietose, skaičių analizė išlaikytų lokų skaičiaus sąskaita. Vėlesnėms atskirų rūšių analizėms buvo naudojamas ne toks griežtas 50% skirtumas. Duomenys buvo toliau filtruojami, kad būtų įtrauktas tik vienas SNP lokusas kiekvienoje etiketėje, ir pašalinant visus lokusus, kuriuose genotipo nustatymo sėkmės procentas parodė bibliotekos paklaidą (tai yra, skirtumas tarp asmenų, įvestų dviejose skirtingose ​​bibliotekose, proporcijos> 1, 5 × tarpkvartilinės intervalas pasiskirstymo genotipo skirtumų pasiskirstymas visiems lokusams). Visas filtravimas ir analizė atlikus šį veiksmą buvo atlikti naudojant vieną reprezentacinį SNP iš kiekvieno RAD lokuso (atsitiktinai parinktas tais atvejais, kai buvo keli SNP). Iš tolesnės analizės buvo pašalintos RAD žymių sekos, turinčios homologiją su mitochondrijų DNR ar potencialiais teršalais (augalais, grybais, žmonėmis ir prokariotomis) (abiejose rūšyse n n20). Kiekvienoje mėginių ėmimo vietoje buvo atlikti jungčių pusiausvyros ir nukrypimo nuo Hardy – Weinberg proporcijų testai. Taip pat buvo pašalinti lokai, rodantys, kad> 50% svetainių po klaidingo atradimų greičio pataisymo buvo įrodyta. Galiausiai iš analizės buvo pašalinti asmenys, kurių duomenų trūko> 50%.

Genetinė įvairovė ir populiacijos struktūra palei aukščio nuolydžius

Mes įvertinome genetinę įvairovę ir populiacijos struktūrą per aukščio gradientą, kad nustatytume galimas mikroevoliucijos jėgas, prisidedančias prie šios sistemos įvairinimo. Apibendrinta įvairovės statistika buvo apskaičiuota naudojant R paketą hierfstat (Goudet, 2005). Atliekant tolimesnes kraštovaizdžio genetines analizes, buvo atmesta B. tricaudatus įvairovės įverčiai iš vietų, kurių imčių dydis nedidelis ( n 8). Veiksmingo gyventojų skaičiaus ( N e ) įverčiai yra dar viena palyginimo priemonė. Tai atspindi idealizuotos populiacijos, kuriai būdingas genetinis dreifas tokiu greičiu, koks stebimas imtyje, dydį (Wright, 1969). NeEstimator v2.01 (Nomura, 2008; Do ir kt., 2014) kiekvienai vietai apskaičiavome N e, naudodamiesi molekuliniu bendro protėvio metodu, kuris pateikia nešališką vienos genetinės grupės vertinimą.

Mes atlikome pagrindinių komponentų analizę kartu su pagrindinių komponentų diskriminacine analize R pakete „ Adegenet“ (Jombart, 2008), kad gautume nepriklausomą mėginyje esančių populiacijų grupių (K) skaičiaus vertinimą (3 papildoma byla). Taip pat atlikome molekulinio dispersijos analizę R pakuotėje „ Poppr“ (Kamvar ir kt., 2014), paskirstydami genetinę įvairovę tarp visų vietų, drenažo (Big Thompson, St. Vrain ir Cache la Poudre; 1 paveikslas) ir tarp vietų per kanalizacijos. F ST vertės buvo gautos naudojant „ Arlequin v3.5“ (Excoffier ir Lischer, 2010), naudojant reikšmingumą 1000 permutacijų. Mes panaudojome programą „ Structure v 2.3.4“ (Hubisz ir kt., 2009), norėdami identifikuoti gyventojų grupes ir įvertinti priemaišų kiekį individuose. Kiekvienam duomenų rinkiniui atlikome 3 pakartotinius 500 000 iteracijų bandymus ir 100 000 deginimą, kad K vertės (subpopuliacijos grupių skaičius) būtų nuo 1 iki 10, naudojant priemaišų modelį su koreliuojamais alelių dažniais. Alfa ir LnLikelihood reikšmių konvergencija buvo patvirtinta prieš pateikiant į CLUMPAK serverį (Kopelman ir kt., 2015; //clumpak.tau.ac.il/), kad būtų galima įvertinti klasterių skaičių, sujungti pakartojamus bandymus ir vizualizuoti rezultatus.

Kraštovaizdžio analizė: izoliacijos pagal atstumą ir atsparumą bandymai

GIS rastriniai sluoksniai, vaizduojantys kraštovaizdį pagal jų potencialą paveikti išsisklaidžiusių lapuočių judėjimą, buvo naudojami kaip atsparūs paviršiai kintamiesiems, susijusiems su topografija (aukštis, nuolydis ir topologija) ir buveine (upelio kanalais; papildoma S1 lentelė). Nors mus taip pat domino galimas kritulių ir temperatūros poveikis, šių kintamųjų duomenų sluoksniai buvo labai koreliuojami su šio Kolorado regiono aukščio duomenimis. Taigi aukščio sluoksnis buvo naudojamas kaip temperatūros ir kritulių pakaitalas.

Grandinės pasipriešinimams generuoti buvo naudojami pasipriešinimo sluoksniai, vaizduojantys srauto kanalus, aukštį, nuolydį ir topografiją (papildoma S1 lentelė, papildomas paveikslas S1), naudojant Circuitscape v4.0 (Shah ir McRae, 2008). Šios grandinės parodo pasipriešinimą, su kuriuo susiduria disperguojantis organizmas kiekviename žemėlapio taške. Grandinės varžos pateikia sujungimo ar pasipriešinimo modelius, kad būtų galima numatyti pasklidimo pobūdį nevienalyčio kraštovaizdžio vietose. Taikant šį požiūrį atsižvelgiama į kelis pasklidimo kelius vienu metu, taigi integruojamasi į visą kraštovaizdį, užuot apsvarstę vieną tiesę tiesiomis linijomis ar mažiausią kainą kainuojančius kelius. Mes panaudojome ląstelių sujungimo schemą, susiejančią kiekvieną mazgą su keturiomis kaimyninėmis ląstelėmis, kad būtų sukurta atstumo atstumo matrica, pagrįsta kiekvieno rastrinio sluoksnio grandinės varžomis. Tada šios matricos buvo nuskaitytos į R, kad būtų galima analizuoti pasroviui.

Kiekvieno kraštovaizdžio kintamumo svarbą kiekybiškai įvertinome dviem būdais. Pirmiausia, norint patikrinti ryšį tarp genetinio atstumo ir kraštovaizdžio parametrų, buvo naudojama daugialypė atstumo matricų regresija (MRDM). Tai apėmė niekinės IBD hipotezės testą, naudojant tik Euklido atstumus, po to sekė IBR testai, kuriuose buvo atsižvelgiama į kiekvieno prognozuojančiojo kintamojo grandinės varžą. MDRM vykdo atsako matricos (genetinio atstumo) regresiją keliose prognozuojančiose matricose (atstumo nuo kraštovaizdžio atstumus) ir įvertina statistinę reikšmę permutacijos būdu. MRM funkcija R paketo ekodiste (Goslee ir Urban, 2007) buvo vykdoma atliekant 1 000 permutacijų, naudojant atsako kintamąjį genetinį atstumo matricą (FST), ir kiekvieną kraštovaizdžio atsparumo matricą kartu su Euklido atstumo matrica kaip kiekvienos prognozę. rūšių. Mes atlikome šias analizes atlikdami MRDM, apimdami visus prognozuojančius kintamuosius viename modelyje kiekvienai rūšiai. Įvertinome daugialypį linijiškumą visuose modeliuose, naudodamiesi dispersijos infliacijos koeficientais (VIF), kad gautume geriausią kiekvienos rūšies sumažintą modelį, paeiliui pašalindami kintamuosius su dideliais VIF balais, kol nė vienas iš likusių kintamųjų neparodė VIF reikšmių> 4.

Norint patvirtinti iš MRDM gautus rezultatus, grandinės varžos matricos buvo pakartotinai išanalizuotos naudojant modifikuotą „ mgLandscape“ funkcijos iš R paketo MEMGENE versiją (Galpern ir kt., 2014; Papildomas failas 4). Šis metodas naudoja Morano Eigenvektoriaus žemėlapius, kad pateiktų duomenų erdvinius modelius. Tada atleidimo analizė atliekama naudojant MEM savvektorius kaip prognozuojamuosius kintamuosius, o genetinius atstumus kaip atsaką. Norint identifikuoti reikšmingus savivektorius, išvestus iš kiekvienos pasipriešinimo atstumo matricos, naudojama pakopinė procedūra, kuria pridedami kintamieji į modelį, remiantis jų, kaip prognozuotojų indėliu, kol tolesni papildymai reikšmingo tinkamumo pagerėjimo neduos. Šis metodas turi galimybę aptikti sudėtingus ir santykinai silpnus erdvinius modelius, todėl jis buvo rekomenduotas kaip galinga alternatyva kitai statistikai, paprastai naudojamai kraštovaizdžio genetinėse analizėse (Legendre ir Fortin, 2010).

F ST ribinės vertės: izoliacijos aplinkos tyrimas

IBE įrodymų tyrimas buvo atliktas nustatant lokusus, kurie parodė selektyvaus nukrypimo, koreliuojamo su aplinkos pokyčiais, įrodymus. Pirmiausia buvo aptikti bendri F ST nuokrypiai; tada buvo atlikti bandymai susieti pašalinius lokusus su aplinkos kintamaisiais. Atlikti trys pakartotiniai 50 000 modeliavimo bandymai, naudojant numatytuosius nustatymus ir 0, 05 FDR, norint aptikti SNP, rodančius teigiamo pasirinkimo įrodymus naudojant fdist (Beaumont ir Nichols, 1996). Šie rezultatai buvo palyginti su gautais naudojant „ BayeScan v2.1“ (Foll ir Gaggiotti, 2008), kad būtų išvengta klaidingų teigiamų rezultatų. „BayeScan“ buvo paleisti trims 5000 pakartojimų pakartojimams, naudojant numatytuosius parametrus, išskyrus padidintą ankstesnį neutralumo koeficientą 1000, kad sumažėtų klaidingai teigiamų rodikliai. Lokiai, kurių q reikšmės <0, 05, buvo laikomi statistiškai reikšmingais. Lokiai buvo laikomi nuokrypiais tik tuo atveju, jei abu metodai juos nustatė.

Bandymai išorinius lokusus susieti su aplinkos pokyčiais buvo atlikti naudojant „ BayeScEnv“ (Villemereuil and Gaggiotti, 2015). Šis metodas praplečia „ BayeScan“ algoritmo galimybes įtraukiant modelį, į kurį įtraukiami aplinkos duomenys iš kiekvienos surinkimo vietos, vaizduojami kaip aplinkos diferenciacija (tai yra, skirtumai nuo vidutinės aplinkos, padalytos iš sd). Aplinkosaugos parametrą (g) apibūdinantis modelis palyginamas su nuliniu F modeliu ir standartiniu α modeliu, siekiant nustatyti, kurie F ST išoriniai lokusai rodo su aplinkos parametrais susijusius pokyčius. Mes apsvarstėme šešis aplinkos parametrus (papildomą informaciją žr. Papildomoje S2 lentelėje), susidedančius iš dviejų klimato kintamųjų (temperatūros sezoniškumas ir sausiausio ketvirčio vidutinė temperatūra nuo 1950 iki 2000 m.) Ir trijų kintamųjų, išmatuotų vietoje surinkimo metu (pakilimas, srauto gradientas ir baldakimo dangtis). Balkono danga buvo įvertinta pagal sferinio densiometro matavimų vidurkį, esantį 20, 60 ir 100 m prieš srovę, pasroviui ir nukreiptą į kairįjį ir dešinįjį krantą nuo mėginių ėmimo vietos. „ BayeScEnv“ modelis buvo paleistas kiekvienam iš standartizuotų aplinkos kintamųjų parametrų parametrais taip: g (viršutinė riba) = 10, α (vidutinė ankstesnė) = - 1, 0, P = 0, 50 ir π = 0, 10. Po 20 bandomųjų bandymų, kurių kiekviena buvo 2000 kartojimų, ir 50 000 pakartojimų, buvo paimta 5000 Markovo grandinės Monte Karlo (MCMC) mėginių, 10 žingsnių tarp kiekvieno mėginio. Loginių tikimybių ir F ST reikšmių 5000 imties iteracijų diagnostika buvo patikrinta naudojant R pakuotės kodą (Plummer et al., 2006), kad būtų patvirtinta konvergencija ir imties dydis yra ne mažesnis kaip 2500. Tik lokusai, patvirtinti F ST nuokrypiais ankstesnė analizė buvo laikoma tikraisiais šio vietinio adaptacijos tyrimo rezultatais.

Rezultatai

SNP genotipas ir duomenų filtravimas

Iliumininės sekos sekos davė vidutiniškai 491 426 (SD 379 010) parodymų kiekvienam asmeniui iš mūsų 1077 batidžių pavyzdžių, suskaidžius juos unikaliais indekso / brūkšninių kodų deriniais ir filtruojant pažymėtas sekas. Vidutinis RAD-etikečių skaičius vienam asmeniui buvo 6265 (SD 2454), o vidutinis sujungto aprėpties gylis buvo 65 (SD 30). Bendras rinkinys, apimantis visus 1077 „ Baetis“ pavyzdžius, davė 85 lokusų rinkinį, kurie buvo> 70% visų mėginių, unikalūs tik viena žyma ir neturintys jokių šališkumų bibliotekoje. Individualus B. tricaudatus rūšių rinkinys po pirminio filtravimo davė 2312 lokusus. Apipjaustymas iki vieno lokuso pagal žymą ir pašalinus lokusus su LD įrodymais, buvo gauti 665 lokusai. Iš likusių lokusų tik vienas parodė nukrypimą nuo Hardy – Weinbergo lūkesčių daugiau nei pusėje mėginių vietų ir nebuvo įtrauktas į analizę, kurioje daromas pusiausvyros modelis. B. bicaudatus gavome 3564 lokusus po pirminio filtravimo, o 1433 lokusai liko po to, kai buvo apipjaustytas vienas lokusas kiekvienoje etiketėje ir pašalinus lokusus su LD įrodymais. Dėl nukrypimų nuo Hardy – Weinberg lūkesčių, 420 lokusai buvo pašalinti iš struktūros analizės. Tada galutinių lokusų rinkinių duomenys buvo filtruojami atskirai, norint pasiekti> 50% sėkmės genotipo nustatymui per visus lokusus. Dviejų rūšių analizėje buvo gautas 961 individo, B. tricaudatus analizėje - 241 individas, o B. bicaudatus - 602 individai.

Didelėje aukštyje genetinė įvairovė sumažėja

Apibendrinta genetinės įvairovės statistika abiejų rūšių vietose ir drenaže paprastai buvo panaši (2 paveikslas). B. tricaudatus bendro stebimo heterozigotumo ir genų įvairovės lygis buvo žymiai didesnis (H o : 0, 18 ± 0, 02; H s : 0, 28 ± 0, 01; n = 12), palyginti su B. bicaudatus (H o : 0, 12 ± 0, 01; H s : 0, 25 ± 0, 01; n = 17) visose vietose ir lokuse ( t = −0, 5, df = 7717, P <0, 001; 3 paveikslas). Tiek H o, tiek H s mažėjo, didėjant B. bicaudatus pakilimui, ir šis ryšys reikšmingas H o (H o : r 2 = 0, 34, P = 0, 01; H s : r 2 = 0, 13, P = 0, 15). B. tricaudatus organizme tokio ryšio nepastebėta (H o : r 2 = 0, 01, P = 0, 73; H s : r 2 = 0, 03, P = 0, 59). N e įverčiai taip pat buvo žymiai didesni ( t = 2, 8, df = 13, 7, P = 0, 02) B. tricaudatus (

Image

), palyginti su B. bicaudatus (

Image
). Rūgščių N e vertinimai rodo mažėjančią tendenciją didėjant B. tricaudatus padidėjimui, tačiau buvo santykinai pastovūs B. bicaudatus atveju (3 paveikslas).

Image

Ryšys tarp a ) stebėto heterozigotumo (Ho) ir aukščio bei b ) faktinio populiacijos dydžio (Ne) ir kiekvienos vietos bei rūšies populiacijos aukščio metrais. Kietieji apskritimai ir punktyrinės linijos žymi B. tricaudatus ; o atviri apskritimai ir punktyrinės linijos žymi B. bicaudatus . Įvertinant Ne, B. tricaudatus mėginiai, kurių n <5, nebuvo įtraukti. B. bicaudatus turėjo žymiai mažesnius Ho ir Ne lygius, o Ho mažėjimas didėjant aukščiui. B. tricaudatus Ne rodė mažėjančią tendenciją didėjant pakilimui.

Visas dydis

Bendra populiacijos genetinė struktūra buvo mažesnė B. tricaudatus organizme , kai visuotinė F ST buvo 0, 041 (Φ st = 0, 03, P = 0, 003), palyginti su F ST 0, 093 B. bicaudatus (Φ st = 0, 086, P = 0, 001). Išanalizavus molekulių dispersiją, abiejose rūšyse nustatyta reikšminga struktūros struktūra (1 lentelė), tačiau stebimos struktūros skalė skyrėsi. Diferenciacija drenažo būdu buvo maždaug lygiavertė rūšims (tačiau atkreipkite dėmesį į P reikšmių skirtumą; B. tricaudatus : Φ ct = 0, 01, P = 0, 06; B. bicaudatus : Φ ct = 0, 01, P = 0, 50), bet įvairovė mažesnėmis erdvinės skalės (tai yra tarp kanalizacijos kanalų ) buvo mažesnės B. tricaudatus (Φ sc = 0, 02, P = 0, 003), palyginti su B. bicaudatus (Φ sc = 0, 07, P = 0, 001). Visos porų F ST reikšmės buvo statistiškai reikšmingos ( P <0, 01) ir paprastai buvo didesnės tarp B. bicaudatus ampulių (2 paveikslas, papildomos lentelės S3 ir S4).

Pilno dydžio lentelė

Populiacijos struktūra yra labiau paplitusi aukštapelkėse

B. tricaudatus struktūros rezultatai nuo K = 1 iki K = 10 parodė optimalų esant K = 2 pagal Evanno metodą (Evanno ir kt., 2005), įdiegtą CLUMPAK . Gyventojų pasiskirstymas pagal struktūrą iš esmės atitiko diskriminuojančią pagrindinių komponentų rezultatų analizę (3 papildoma byla), tačiau įrodymų, kad genų srautas peizaže yra didesnis. K = 2 metu buvo matomas šiaurės – pietų pasidalijimas šalia keteros, skiriančios Poudre ir Big Thompson kanalizaciją (4 paveikslas ir papildomas S3 paveikslas).

Image

( A ) B. tricaudatus ir ( b ) B. bicaudatus struktūrų grupavimo rezultatai (viršutinės plokštės) . Genetinis grupavimas parodė optimalų dviejų klasterių skaičių ( K ) B. tricaudatus duomenų rinkiniui ir panašų palaikymo lygį keturioms ar penkioms B. bicaudatus klasteriams ( K = 5 parodytas apatinėje skiltyje). Genetinių grupių (vaizduojamų skirtingomis spalvomis, apatinėmis plokštėmis) pasiskirstymas kraštovaizdyje rodo, kad c ) B. tricaudatus populiacijos grupių yra mažiau, išsidėsčiusių platesnėse geografinėse vietovėse, nei esančios d punkte B. bicaudatus . Apskritimo dydžiai yra proporcingi kiekvienos rūšies mėginių skaičiui. Vietų pavadinimai ir kelių numeriai yra nurodyti žemėlapyje.

Visas dydis

B. bicaudatus struktūros rezultatai patvirtino ir K = 4, ir K = 5 (4 paveikslas ir papildomas S3 pav.). K = 5 atveju populiacijų grupių pasiskirstymas kraštovaizdyje pagal struktūrą sutiko su pagrindinių komponentų rezultatų diskriminacine analize (3 papildomoji byla), parodant didelio aukščio vietos atskyrimą Didžiojo Thompsono drenaže (B3051, 4 pav.) Iš visų kitų vietų. Likusiose vietose mėginių ėmimo centro centre išilgai keteros, skiriančios Poudre ir Big Thompson kanalizaciją, buvo pastebimas šiaurės ir pietų pasidalijimas. Tolesnis atskyrimas padalijo vietas į šiaurę nuo Poudre upės slėnio ir vietas iš pietinio Šv. Vraino kanalizacijos.

Testuojantys izoliacijos modeliai: atstumas, atsparumas ar aplinka?

Nulinis IBD lūkestis buvo nustatytas tik žemesniame aukštyje. Matricos regresija, naudojant tik Euklido atstumą kaip genetinio atstumo prognozuotoją (poromis F ST ; papildomos lentelės S3 ir S4), buvo labai reikšminga B. tricaudatus diapazonui ( F [1, 26] = 27, 6; r 2 = 0, 52; P = 0, 002; papildomas S4 paveikslas). Tas pats B. bicaudatus palyginimas nebuvo reikšmingas, kai buvo įtrauktos visos populiacijos ( F [1, 134] = 3, 6; r 2 = 0, 03; P = 0, 325). Norėdami išsiaiškinti rūšių skirtumus nuo kraštovaizdžio poveikio, mes taip pat išbandėme ryšį tarp Euklidijos ir genetinio atstumo apatinėje B. bicaudatus aukštumų srityje, kur jis sutampa su B. tricaudatus (tai yra, teritorijomis, esančiomis žemiau 3000 m). Kai buvo nagrinėjami tik B. bicaudatus mėginiai iš mažesnio aukščio vietų, ryšys tapo reikšmingas ( F [1, 43] = 19, 2; r 2 = 0, 31; P = 0, 004).

Priešingai nei aukščiau išbandyta IBD tikimybė, dėl kiekvieno dominančio kraštovaizdžio veiksnio, siekiant nustatyti IBR, buvo naudojami regresijos modeliai. Modeliai, kuriuose buvo atsižvelgiama į kraštovaizdžio atsparumo kintamuosius, apskaičiuojant Euklido atstumą, buvo reikšmingi B. tricaudatus atveju , tačiau kiekvienu atveju reikšmingas buvo tik Euklido indėlis, o ne dominantys kraštovaizdžio atsparumo veiksniai (papildoma S5 lentelė). Tačiau geriausias iš sumažintų modelių (gautų pašalinus kintamuosius su dideliu VIF) atskleidė reikšmingus abiejų aukščių skirtumų tarp vietų ir aukščio pasipriešinimo (alt100; papildomas S5 paveikslas) ryšius su porine F ST, įvertinus Euklido atstumą ( F [3, 24] = 17, 9; r2 = 0, 69; P = 0, 001). B. bicaudatus pasipriešinimas nuolydžiui (nuolydis 100; papildomas paveikslas S5) buvo reikšmingas porų F ST numatytojas, įvertinus Euklido atstumą (papildoma S5 lentelė) ir vertinant atskirai ( F [1, 134] = 28, 9; r 2 = 0, 18; P = 0, 001). Nei visas modelis ( F [6, 129] = 10, 1, r 2 = 0, 32; P = 0, 225), nei geriausias iš redukuotų modelių nebuvo statistiškai reikšmingi ( F [5 130] = 11, 8, r 2 = 0, 31; P = 0, 149) B .bicaudatus .

B. tricaudatus MEMGENE rezultatai (papildoma S6 lentelė) atitiko MRDM analizę tuo, kad santykinai didelę genetinio atstumo dalį paaiškino Euklido atsparumo paviršius ( r 2 adj = 0, 75). Tačiau nė vienas iš keturių atsparumo modelių duomenų apie šią rūšį nepaaiškino geriau nei vien tik Euklido atstumai. B. bicaudatus MEMGENE rezultatai taip pat iš esmės sutapo su MRDM rezultatais, tačiau mažesnę genetinio atstumo dalį paaiškino Euklido atstumas ( r 2 adj = 0, 15). B. bicaudatus atveju atsparumo atstumai, susiję tiek su pakilimu (alt100), tiek su nuolydžiu (nuolydis100), paaiškino stebėtus genetinius atstumus tarp mėginių geriau nei Euklido modeliai.

F ST išoriniai lokusai koreliuoja su aplinkos kitimu

Duomenys apie IBE buvo nustatyti kaip F ST išoriniai lokusai, koreliuojami su aplinkos kintamaisiais. Palyginę lokų proporcijas su ekstremaliomis F ST reikšmėmis, galime sužinoti apie santykinį krypčių atrankos stiprumą šiose dviejose rūšyse mėginio diapazone. B. tricaudatus fdistu buvo aptiktas 81 išorinis lokusas , o keturiuose - „ BayeScan“ , visi jie sutapo su fdistu (papildomas paveikslas S2). B. bicaudatus fdist aptiko 116 galimų atrankos galimybių, o „ BayeScan“ rado 79, 69 iš kurių abu metodai sutapo . Nustatyta, kad B. tricaudatus ir B. bicaudatus atveju 0, 5% ir 4, 8% visų lokusų yra pašaliniai.

„BayeScEnv“ buvo naudojamas aptikti lokusus, turinčius atrankos parašus, kurie atitiko IBE modelio lūkesčius. „BayeScEnv“ nustatė keletą lokusų, reaguojančių į kiekvieną iš išbandytų aplinkos kintamųjų (2 lentelė). B. tricaudatus tinkle aptikome devynis iš 665 lokusų (1, 4%), turinčius reikšmingą ryšį su aplinkos parametrais, ir tuos, kurie apėmė visus keturis išorinius lokusus, kuriuos identifikavo „ BayeScan“ ir „ fdist“ . Nors bendroje B. tricaudatus F ST iškrypimų buvo mažiau, visi keturi buvo susiję su pakilimu, o visi, išskyrus vieną, buvo susiję su sausiausio ketvirčio temperatūra ir upelio gradientu. B. bicaudatus atveju 52 iš 1433 lokusų (3, 6%) buvo reikšmingai susiję su bent vienu iš aplinkos kintamųjų, o 41 iš jų sutiko su FT pašalinių medžiagų, aptiktų „ BayeScan“ ir „ fdist“, rinkiniu . Aplinkos kintamasis, susijęs su didžiausiu lokusų skaičiumi ( n = 20), buvo vidutinė sausiausio ketvirčio temperatūra. Srauto gradientas ( n = 12) ir vietos padidėjimas ( n = 11) taip pat buvo siejami su palyginti dideliu pašalinių lokusų skaičiumi šioje rūšyje.

Pilno dydžio lentelė

Diskusija

Mūsų duomenys rodo, kad ribotas genų srautas sumažina genetinę variaciją ir ryšį populiacijose aukštesnėse vietose išilgai aukščio gradiento. Palyginę skirtingų pakilimų mėginių genetinę struktūrą ir įvairovę su lūkesčiais, pagrįstais konkrečiais IBD, atsparumo (IBR) ar aplinkos (IBE) modeliais, parodome, kad kraštovaizdžio barjerų poveikis sklaidai yra stipresnis esant aukštesniems pakilimams. Mūsų išvados taip pat rodo, kad aukštesnio aukščio populiacijos yra labiau genetiškai diferencijuotos nei tos, kurių yra žemesniame aukštyje, ir tai pasakytina apie artimai susijusių rūšių palyginimus skirtinguose aukščiuose, taip pat palyginimus tarp vietų, esančių palei gradientą per aukštesnio aukščio rūšis. Be to, mes pastebėjome reikšmingų pašalinių lokusų su pakilimu skaičiaus skirtumus. Išorinių lokusų koreliacija su konkrečiais aplinkos kintamaisiais patvirtina hipotezę, kad didelio aukščio populiacijos gali parodyti daugiau vietinės adaptacijos. Vietiniam prisitaikymui paprastai trukdo platus genų srautas, nes vietoje pritaikyti aleliai, kurie kitose vietose neteikia pranašumo, gali būti išstumti iš aplinkinės populiacijos matricos. Tačiau natūralių populiacijų tyrimai pateikia įrodymų, kad vietinis prisitaikymas gali įvykti net esant vykstančiam genų srautui (Gonzalo-Turpin and Hazard, 2009; Sarup ir kt., 2009). Didesnis išstumtųjų skaičius didesniame aukštyje rodo, kad ribotas genų srautas kartu su natūralia atranka skatina skirtingų aukščio populiacijų skirtumus. Šie pastebėjimai sustiprina mūsų supratimą apie populiacijų struktūros sudėtingesnėse montanų buveinėse veiksnius, turinčius didelę įtaką upelių ekosistemų išsaugojimui.

Montanto upelio vabzdžių genetinė įvairovė ir populiacijos struktūra

Žemesni heterozigotiškumo lygiai ir mažesni faktiniai populiacijos dydžiai buvo pastebėti aukštesnėse pakilimo vietose, palyginti su mažesniais pakilimais. Tiksliau, H o sumažėjo esant aukštam B. bicaudatus padidėjimui, o N - sumažėjo aukšto aukščio B. tricaudatus populiacijoms. Sumažinta įvairovė esant dideliam aukščiui gali atsirasti dėl mažesnio gyventojų skaičiaus, dėl gyventojų skaičiaus svyravimų atsirandančių kliūčių arba dėl įkūrėjo padarinių, kai organizmai kolonizuoja naujas buveines. Be to, genetinį dreifą dėl šių trijų veiksnių sustiprins sumažėjęs genų srautas izoliuotuose Alpių taksonuose (DeChaine ir Martin, 2004). Kiti vandens vabzdžių aukščio gradientų tyrimai parodė, kad įvairovė daugialypėje skalėje (nuo genetinės iki taksonominės) yra susijusi su jų padėtimi palei aukščio gradientus (Clarke et al., 2008; Múrria et al., 2013), ypač kai organizmai pasiekia jų pakilimo diapazonų kraštas (Hodkinson, 2005; Gill ir kt., 2014).

Demografinė istorija ir faktinis populiacijos dydis neabejotinai vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant populiacijos struktūrą, moduliuojant veislinių individų skaičių tam tikroje vietoje ir taip darant įtaką adaptacinio evoliucijos greičiui (Gossmann et al., 2012). Tačiau greičiausiai genų srautas (arba jo nebuvimas) tarp vietų yra pagrindinis veiksnys, struktūrizuojantis populiacijas rūšių, turinčių dideles populiacijas ir panašią gyvenimo istoriją (Hughes, 2007; Finn et al., 2011). Nepaisant panašaus sklaidos potencialo, mūsų rezultatai atskleidžia svarbius rūšių skirtumus, susijusius su porūšių populiacijų skaičiumi ir genetinio kitimo pasiskirstymu kraštovaizdyje. Genų srautas apskritai buvo didesnis B. tricaudatus ir išplito iki didžiausio erdvinio masto (tai yra tarp drenažo). Šių mažesnio aukščio rūšių gyvūnų analizė naudojant struktūrą parodė tik dvi genetines grupes (4 paveikslas). Tačiau pagrindinis modelis, kurį naudoja ši programinė įranga, netinkamai veikia, kai yra IBD modelis (kaip yra šiuo atveju). Taigi tikėtina, kad B. tricaudatus iš tikrųjų yra viena panikos populiacija, ir vienintelė aiški kliūtis genų srautui yra geografinis atstumas tarp vietų.

Didesnio aukščio rūšys, B. bicaudatus , neatitiko IBD modelio, o didesnė genetinio varianto dalis buvo paskirstyta kanalizacijos vietose, palyginti su didesniu pačių kanalizacijų erdviniu mastu. Dideli mažų erdvinių skalių skirtumai buvo pastebėti atliekant kitus ribosomų ir mitochondrijų sekos kitimo srauto bestuburiuose tyrimus, kai gretimos vietos viename sraute parodė didesnę diferenciaciją nei vietos, esančios kilometrų atstumu viena nuo kitos (Monaghan et al., 2005; Schultheis ir Hughes, 2005). . Todėl daugelyje šių tyrimų, nepaisant akivaizdaus išplitimo, nebuvo pastebėtas aiškus IBD signalas. Struktūra padalijo B. bicaudatus į keletą subpopuliacijų, kurios parodė diferenciaciją tiek tarp kanalizacijos, tiek tarp aukšto ir mažo aukščio vietų drenažuose (4 pav.).

Izoliacijos palei aukščio nuolydžius modeliai

Šiame tyrime didesnio aukščio vietos, atskirtos stačiais topografiniais šlaitais, buvo genetiškai diferencijuotos labiau, nei būtų galima tikėtis remiantis vien Euklido atstumu. Taigi IBR modelis yra pats tinkamiausias svarstant didesnes aukščio vietas dėl pasiskirstymo suvaržymų, kuriuos lemia aukštis ir nuolydis. Nustatyta, kad topografiniai efektai, tokie kaip nuolydis, gali būti svarbios kliūtys sklaidasi atliekant kitus kraštovaizdžio genetinius tyrimus su rūšimis, turinčiomis vandens gyvavimo istoriją ir pasklidimą sausumoje (Murphy ir kt., 2010). Tai greičiausiai lemia energetinės išlaidos, susijusios su staigiais nelygiais plotais, o ypač tokioms rūšims, kaip margalapės, su labai trumpais suaugusiųjų gyvenimo laikotarpiais. Apskritai, čia stebimi įvairovės ir gyventojų struktūros modeliai gerai dera su slėnio-kalnų populiacijos struktūros modeliu (Funk et al., 2005). Pagal šį modelį mažo aukščio vietoms būdingas didesnis faktinis populiacijos dydis ir sujungiamumo lygiai nei jų aukšto aukščio kolegoms, o genų srautas tarp žemo ir aukšto aukščio yra ribotas, todėl dažnai padidėja aukščio aukščio vietos (Clarke ir kt.) ., 2008; Múrria ir kt., 2013).

Priešingai nei stebėjimai didesniame aukštyje, šio tyrimo žemutinio aukščio vietos parodė didesnį genetinį ryšį, greičiausiai dėl reguliaraus migrantų apsikeitimo santykinai plokščiu topografiniu kraštovaizdžiu. Padidėjusią genetinę diferenciaciją tarp aukštyje esančių vietų galima paaiškinti sumažėjusiu genų srautu tose vietose, kurias skiria topografinės kliūtys ir (arba) genetinis dreifas izoliuotose vietose, dėl kurių sumažėja genetinė įvairovė ir mažesni faktiniai populiacijos dydžiai. Nepriklausomai nuo tikslaus mechanizmo, manoma, kad aukštapelkėse esančios dviskiltės populiacijos bus labiau pažeidžiamos vietinio išnykimo dėl mažesnio veiksmingo populiacijos dydžio ir riboto kiekio nuolatinės genetinės variacijos, kad natūrali atranka galėtų veikti.

Vietos adaptacijos įrodymai montane atvejais

Hierarchiniai dendritinių upelių tinklai kalnų grandinėse gali sudaryti aplinkos sąlygas, palengvinančias vietinį prisitaikymą ir įvairinimą. Taip yra todėl, kad pakilimas dažnai yra susijęs su aplinkos gradientais dėl daugelio veiksnių, įskaitant temperatūrą, kritulius, tėkmės režimą, taip pat buveinių ir bendruomenės sudėtį (Lytle ir Poff, 2004; Múrria et al., 2013). Šie atrankos gradientai, uždengti srauto sistemoje, sukuria sąlygas, pagal kurias nuolatinę genetinę variaciją galima suskaidyti ir vėliau formuoti į lokaliai pritaikytas linijas (Funk et al., 2005; Clarke et al., 2008; Hughes et al., 2009). Vietos adaptacijos raida priklauso ir nuo vietinio selektyvaus spaudimo stiprumo, ir nuo homogenizuojančio imigracijos iš kitų vietų poveikio. Atsižvelgiant į tai, demografinė izoliacija tam tikru mastu gali būti naudinga, nes populiacijoms leidžiama prisitaikyti prie vietinių sąlygų, kaip buvo pastebėta daugybėje organizmų, gyvenančių jų platumos arba aukščio pakraščių kraštuose, tyrimų (Bridle and Vines, 2007; Halbritter). et al., 2015).

Aukštesnėje aukštumos rūšyje B. bicaudatus buvo aptikta daug daugiau numanomų natūralios atrankos taikinių, taip pat bendra didesnė F ST pašalinių rodiklių dalis . Daugeliui montano rūšių prisitaikymas prie stiprių selektyviųjų jėgų, kurias sukelia aukščio pakilimo aplinka (Hodkinson, 2005; Storz ir kt., 2009; Cheviron ir Brumfield, 2012). Sumažėjęs genų srautas dėl kraštovaizdžio poveikio kartu su selekcija dideliame aukštyje atrodo, kad daugelyje B. bicaudatus lokusų pasireiškia adaptaciniai skirtumai. Tai atitinka šios rūšies IBE modelį ir palaiko mintį, kad izoliuotos, aukštai iškilusios vietos yra vietinių paukščių adaptacijos inkubatorius. Nors genetinis dreifas dėl izoliacijos ir mažas efektyvus populiacijos dydis greičiausiai paspartins diversifikaciją, vien dėl dreifo efekto būtų galima diversifikuoti genomą, o ne pašalinių lokusų pogrupį. Be to, daugelis iš šių rūšių aptiktų F ST nuokrypių buvo reikšmingai susiję su aplinkos parametrais - pakilimu, sausiausio ketvirčio temperatūra ir upelio gradientu. Tai atskleidžia ryšį tarp genetinės diferenciacijos ir su pakilimu susijusios variacijos. Mūsų pastebėjimai apie platesnę gyventojų struktūrą ir padidėjusį atsparumą kraštovaizdžio ypatybėms yra malonus paaiškinimas, kaip tokia įvairovė galėtų vystytis.

Išoriniai lokusai, žymiai koreliuojami su abiotiniais veiksniais, gali būti atrankos požymis; tačiau vargu ar SNP žymekliai bus tiesioginiai atrankos tikslai. Norint nustatyti tiesiogines funkcines asociacijas, reikės toliau tirti ir komentuoti šių taksonų genomus. Genetinis ryšys su atrinktomis vietomis galėtų paaiškinti pastebėtus ryšius su šiais aplinkos kintamaisiais ir atitiktų IBE modelį aukštesniuose aukštyje esančiose vietose

Išvados

Aukštesnės pakilimo vietos šiame tyrime buvo išskirtos topografinėmis kliūtimis ir tinkamos tarpinės buveinės trūkumu, todėl akivaizdžiai atsirado aukštesnių aukštumų rūšių adaptaciniai skirtumai per jos aukštį. Aukštyje žemiau 3000 m, tačiau abiejų rūšių populiacijų genų srautas buvo didelis, o tai rodo, kad pasklidimas tarp žemesnio aukščio vietų yra mažiau ribojamas nei didesniame aukštyje. Kai kuriais atvejais sudėtinga topografija ar kiti kraštovaizdžio ypatumai galėtų paaiškinti didesnės populiacijos struktūros stebėjimus aukštesniuose aukščiuose, neatsižvelgiant į adaptacinį atsaką į natūralią atranką. Tačiau sumažėjęs genų srautas didelio aukščio vietose sukuria sąlygas, kuriomis labiau tikėtina adaptacinė divergencija. Iš tiesų, nustatant daug daugiau F ST pašalinių rūšių aukštaūgio rūšyse, galima pagrįsti šią hipotezę, nes kiti mechanizmai, tokie kaip dreifas, labiau tiktų genomo mastu. Be to, išvados, kad daugelis F ST išorinių lokusų taip pat buvo susiję su aplinkos veiksniais, susijusiais su pakilimu, dar labiau patvirtina, kad aukščio pokyčiai (ar jo kovariantai) skatina genetinę diferenciaciją šiuose lokusuose.

Nors didesnio aukščio rūšys gali turėti naują genetinę įvairovę dėl vietos adaptacijos, susijusios su topografiniais ir klimato veiksniais, jos taip pat greičiausiai yra jautresnės besikeičiančiam trikdžių režimui ir aplinkos pokyčiams dėl genetinio ryšio trūkumo ir mažesnės bendros genetinės įvairovės. Būsimi tyrimai, vertinantys skirtingo lygio pakitimų aptinkamų muselių fiziologinę toleranciją ir tai, kaip populiacijos skirtumai yra susiję su populiacijos genetinės struktūros modeliais, bus svarbus kitas žingsnis patvirtinant kraštovaizdžio poveikį montaninių taksonų įvairinimui ir pažeidžiamumui.

Duomenų archyvavimas

RAD žymių sekas galima rasti NCBI SRA duomenų bazėje, prie projekto prisijungimo ID: PRJNA377573. SNP ir kraštovaizdžio atsparumo duomenis galite gauti iš DRYAD duomenų saugyklos, prisijungimo numeriu: doi: 10.5061 / dryad.02j5s.

Prisijungimai

Eilių skaitymo archyvas

  • PRJNA377573

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    1 papildoma byla

  2. 2.

    2 papildoma byla

  3. 3.

    3 papildoma byla

  4. 4.

    Papildomas S1 paveikslas

  5. 5.

    Papildomas S2 paveikslas

  6. 6.

    Papildomas S3 paveikslas

  7. 7

    Papildomas S4 paveikslas

  8. 8.

    Papildomas S5 paveikslas

  9. 9.

    Papildoma S1 lentelė

  10. 10.

    Papildoma S2 lentelė

  11. 11.

    Papildoma S3 lentelė

  12. 12.

    Papildoma S4 lentelė

  13. 13.

    Papildoma S5 lentelė

  14. 14

    Papildoma S6 lentelė

Tekstiniai failai

  1. 1.

    4 papildoma byla

    Prie šio dokumento pridedama papildoma informacija „Heredity“ svetainėje (//www.nature.com/hdy)