Hogyan alakulnak ki a populációk?

Izgalmas kérdés, hogyan alakulnak ki a különböző populációk, hogyan töredezik föl egy egységes faj több, egymástól valamennyire különböző, egymástól többé-kevésbé elzárt csoportra? David B. Lowry és John H. Willis egy Mimulus guttatus nevű virágot vizsgáltak. Ennek a növénykének két ökotípusa ismert, a tengerparton élő (perennial=PE) és a szárazföld belsejében élő (annual=AN). Ezek a maguk élőhelyéhez alkalmazkodtak és különböző időpontban virágoznak. A virágzás ideje azért lényeges, mert a szárazföld belsejében hamarabb köszönt be a forró, száraz nyár, így az AN ökotípusnak korábban kell virágoznia, mint a parti PE ökotípusnak. A korábban virágzó AN ökotípus viszont a nedves tengerparti élőhelyen kerül hátrányba, mert több energiát fordít a szaporodásra, kevesebbet a növekedésre, így nem tudja kihasználni az egész évben rendelkezésére álló nedvességet.

Izgalmas kérdés, hogyan alakulnak ki a különböző populációk, hogyan töredezik föl egy egységes faj több, egymástól valamennyire különböző, egymástól többé-kevésbé elzárt csoportra? David B. Lowry és John H. Willis egy Mimulus guttatus nevű virágot vizsgáltak. Ennek a növénykének két ökotípusa ismert, a tengerparton élő (perennial=PE) és a szárazföld belsejében élő (annual=AN). Ezek a maguk élőhelyéhez alkalmazkodtak és különböző időpontban virágoznak. A virágzás ideje azért lényeges, mert a szárazföld belsejében hamarabb köszönt be a forró, száraz nyár, így az AN ökotípusnak korábban kell virágoznia, mint a parti PE ökotípusnak. A korábban virágzó AN ökotípus viszont a nedves tengerparti élőhelyen kerül hátrányba, mert több energiát fordít a szaporodásra, kevesebbet a növekedésre, így nem tudja kihasználni az egész évben rendelkezésére álló nedvességet.

A szerzők eredetileg azt figyelték meg, hogy amikor hagyományos rekombinációs géntérképezést akartak végezni, az IM (AN) és a DUN (PE) populációk hibridjében a rekombinációt valami lecsökkentette. (Az első ábra “A” térképe mutatja az említett populációk földrajzi elhelyezkedését.) Meglepő módon azt találták, hogy a rekombináció gyakoriságának a csökkenése oka egy óriási inverzió, ami a genetikai térkép 2% -át érinti, 2,22 Mbp méretű genomi szakasz invertálódott, ami 362 ismert gént tartalmaz. (1B ábra) Hogy számszerűsítsük, négyszázhuszonkilenc hibrid utódait megvizsgálva, egyetlen rekombinációs eseményt sem figyeltek meg az e299 és az e278 markergén között, amiket érint az inverzió, holott a populációkon belül e két marker gentikai távolsága 23-32 cM. Azonban PE populációk (SWB, HEC, DUN, BOB, TSG, ALA) hibridjeiben ilyesmit nem tapasztaltak, akadály nélkül rekombinálódtak ezek a gének. Olyan helyeken, ahol a talaj egész évben nedves, a szárazföld belsejében is találhatóak PE populációk, nem meglepő módon ezek is tartalmazzák ezt az inverziót.

Hogy kiderítsék, ennek az inverziónak van -e bármi köze a populációk közt megfigyelt jellegzetes különbségekhez, különböző AN és PE populációk egyedeit keresztezték, majd az F1 nemzedéket beltenyésztették és az F2 utódok között megvizsgálták, hogy melyek hordozzák a PE populációkra jellemző inverziót homozigótaként vagy heterozigótaként, illetve melyek mentesek ettől. Az eredmény a második ábrán látható (amelyen általam érthetetlen okból az y tengelyek nem nulláról indulnak), az inverzióra homozigóta egyedek virágzottak legkésőbb, a heterozigóták kicsit előbb, az inverziót nem hordozó egyedek pedig a legkorábban minden egyes vizsgált keresztezésben. Ez egyértelműen megmutatja, hogy a virágzás idejét befolyásolja az inverzió, hiszen a genom összes többi szakasza teljesen szabadon rekombinált ezekben a keresztezésekben.

Egy félelmetesen bonyolult, ötlépéses keresztezéssel előállítottak olyan növénykéket, amelyek a PE vagy AN populáció genetikai hátterén hordozták ezt az inverziót, így elkülöníthették az inverzió hatását az esetleg meglévő összes többi genetikai különbségtől és ráadásul kizárhatták a beltenyésztést is, ez sem torzította a kísérleti eredményeket. Ezek után a magokat egy tengerparti (Manchester) és egy szárazföldi (Boonville) telepen vetették el, így megvizsgálhatták, hogy maga az inverzió mennyit számít a növények túlélésében. Az eredmény a harmadik ábrán látható, szerintem elég meggyőző, ez az egyetlen inverzió óriási mértékben járul hozzá a túléléshez egy adott környzetben. Az “inland parent” egy vad AN populáció, a “coastal parent” egy vad PE populáció. Érdemes összehasonlítani a “Survival to flower” oszlop értékeit, ez azt mutatja, hogy a növénykék hány százaléka tudott virágot hozni, illetve az “End of season” oszlopot, ami azt mutatja meg, hogy a növénykék hány százaléka érte meg a szezon végét, a “Yet to flower” oszlop pedig azt mutatja meg, a növénykék hány százaléka érte meg a szezon végét úgy, hogy még nem hozott virágot.

Ezek után megállapították, hogy mérsékelt szaporodási izoláció is kialakult a két populáció között, de ennek a hatását szinte teljesen elfedi, hogy az AN és a PE populációk nem egyszerre hoznak virágot, a természetben az egyik populáció virágpora szinte sohasem találkozik a másik populáció bibéjével, így ott egyáltalán nem is keverednek. Itt az a folyamat látható világosan, amikor egy faj két különböző populációja két különböző élőhelyhez alkalmazkodva különül el egymástól.

Lowry DB, Willis JH (2010): A Widespread Chromosomal Inversion Polymorphism Contributes to a Major Life-History Transition, Local Adaptation, and Reproductive Isolation. PLoS Biol 8(9): e1000500. doi:10.1371/journal.pbio.1000500