Dołącz do czytelników
Brak wyników

Temat numeru

31 sierpnia 2022

NR 52 (Wrzesień 2022)

Wsobność – przyczyny, skutki i mechanizmy

0 311

Darwin zadawał sobie py­­tania, dlaczego reprodukcja przez krzyżowa­nie z ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­niespokrewnionym osobnikiem (ang. outcrossing) jest tak powszechna w przyrodzie i dlaczego liczne gatunki roślin mają systemy, które zapobiegają samozapłodnieniu? Aby odpowiedzieć na te pytania, przeprowadził na 57 gatunkach roślin reprezentujących 30 rodzin eksperymenty polegające na samozapłodnieniu oraz na krzyżowaniu niespokrewnionych osobników. Te eksperymenty potwierdziły jego hipotezę, że samozapłodnienie musi być silnie niekorzystne dla wytwarzanego potomstwa, ponieważ powoduje obniżenie wigoru i płodności u większości badanych przez niego gatunków (Darwin 1877). Poza tymi efektami, samozapłodnienie/kojarzenie blisko spokrewnionych genotypów może prowadzić do fenotypów, które są letalne we wczesnym okresie życia (np. pozbawione chlorofilu siewki) lub do wad rozwojowych i chorób genetycznych u różnych organizmów (np. u ryb i ludzi). 
To, ile traci się z różnorodności genetycznej na skutek kojarzenia blisko spokrewnionych osobników, ma znaczenie dla wielu dziedzin biologii, takich jak hodowla, biologia ewolucyjna, genetyka konserwatorska i zdrowie człowieka (Rojas et al. 2009). To, jak bardzo różnorodna jest populacja, jest bowiem skorelowane z jej potencjałem ewolucyjnym. Innymi słowy, wsobność redukuje różnorodność genetyczną w populacji, a tym samym skuteczność działania selekcji, szczególnie wtedy, kiedy inbredowanie zachodzi szybko (np. przy kojarzeniu rodzeństwa). W związku z tym takie parametry genetyczne jak heterozygotyczność lub bogactwo alleli, odzwierciedlające różnorodność genetyczną, są dobrymi wskaźnikami potencjału ewolucyjnego populacji (Reed 2009) i liczone są rutynowo w genetyce populacyjnej. 
W małych populacjach występujących na peryferiach zasięgu, pofragmentowanych, wykazujących strukturę socjalną lub specjalizację siedliskową połączoną ze słabymi zdolnościami do dyspersji, często występuje kojarzenie w obrębie blisko spokrewnionych osobników, co prowadzi do wzrostu ich homozygotyczności. To z kolei z reguły przyczynia się do obniżenia fitness (przeżywalności i reprodukcji) osobników, szczególnie u gatunków, które zwykle rozmnażają się w parach niespokrewnionych (Wallace & Madden 1965), zob. słowniczek. Na przykład u Drosophila melanogaster dorosłe potomstwo powstałe w wyniku kojarzeń brat-siostra wykazują obniżoną płodność związaną z dystrofią gonad i nieprawidłowościami jajników (Biémont 1983). Obniżenie fitness zwane jest depresją wsobną (ang. Inbreeding depression) (Darwin 1877). Spadek fitness osobnika w populacji w stosunku do najbardziej dostosowanego genotypu spowodowany obecnością w puli genowej szkodliwych alleli znane jest jako obciążenie wsobności (ang. genetic load). 
 

POLECAMY

Fot. 1. U Liatry kłosowej (Liatris aspera) (Compositae), często występującej w naszych ogrodach, zaobserwowano prawie wyłącznie zapylanie sąsiedzkie (najbliższego sąsiada) oraz wysoce zlokalizowaną dyspersję nasion. Wiąże się to ze znaczącym wzrostem homozygotyczności w obrębie niewielkich grup sąsiednich roślin oraz mikrogeograficznym zróżnicowaniem populacji


Hipotezy dominacji i naddominacji próbują wyjaśnić mechanizmy odpowiedzialne za depresję wsobną i heterozję. Zgodnie z hipotezą dominacji depresja wsobna jest efektem ekspresji szkodliwych lub częściowo szkodliwych recesywnych alleli, któ­re w stanie heterozygotycznym są maskowane. Chów wsobny zwiększa częstość występowania homozygot dla tych szkodliwych alleli, co powoduje obniżenie fitness osobników. Z kolei hipoteza naddominacji zakłada, że wydajność heterozygot w sensie ich potencjału rozrodczego i wigoru jest wyższa od homozygot. Depresja inbredowa pojawia się więc na skutek zmniejszenia częstości heterozygotycznych genotypów i zwiększenia częstości genotypów homozygotycznych w populacji (Mitton 1993). 
Depresja wsobna może niekorzystnie wpływać na masę urodzeniową, przeżywalność, rozmnażanie oraz odporność na choroby. W wielu ludzkich kulturach kojarzenie blisko spokrewnionych osobników jest więc zakazane, ponieważ prowadzi do wielu wad rozwojowych u dzieci (Hedrick & Kalinowski 2000). Depresja wsobna wpływa również niekorzystnie na odporność na stres środowiskowy. Może to być spowodowane faktem, że stres zwiększa ekspresję wspomnianych szkodliwych alleli recesywnych lub komórkowe zabezpieczenia przed stresem są przesuwane poza fizjologiczne granice organizmu (Fox & Reed 2011). Depresja wsobna powoduje również tragiczne konsekwencje w rolnictwie i hodowli w postaci spadku plonów, ale także może zwiększyć podatność na szereg patogenów i szkodników. W niewielkich populacjach naturalnych depresja wsobna może doprowadzić do wiru wymierania, czyli zmniejszenia tempa wzrostu populacji (efekt Alleego) (Williams et al. 2021) i prawdopodobieństwa jej przetrwania (Frankham 2005). 
Chów wsobny ma też wpływ na homeostazę rozwojową ­osobników w kontekście ich żywotności. Zloka­lizowane na peryferiach zasięgu po­­pulacje słodkowodnych gatunków małży wykazują odchylenia od sy­­metrii dwustronnej (symetria jest miarą stabilności rozwojowej) wraz ze spadkiem heterozygotyczności (Kat 1982). Osobniki wysoce hete­rozygotyczne mają natomiast zwięk­szoną homeostazę rozwojową, co 
umożliwia im dostosowanie swoich mechanizmów rozwojowych i fizjo­logicznych do warunków środowiska (Biémont 1983). 
Biorąc pod uwagę homeostazę rozwojową, wysoka heterozygotyczność osobnicza powinna skutkować niską wariancją morfologiczną (miara rozproszenia wyników pomiarów wokół średniej), (Lerner 1954). Istnieje jeszcze inna hipoteza (Chakraborty & Ryman 1983). Autorzy modelowali fenotyp zdeterminowany przez addytywne (kumulatywne) allele. W tym przypadku heterozygoty są fenotypowo pośrednie pomiędzy homozygotami. Ponieważ homozygoty zawierają dwa genotypy o różnych wartościach średnich, ich wariancja fenotypowa przekracza wariancję heterozygot. Niemniej jednak wiele różnych czynników może zakłócić te proste relacje między wariancją genetyczną i fenotypową, włączając w to czynniki środowiskowe, biologiczne i metodologiczne (Strauss 1991). 
Kojarzenie krewniacze prowadzi również do zwiększenia zróżnicowania genetycznego między liniami (populacjami) kojarzonymi wsobnie i utrwalenia w nich określonych alleli, co może mieć znaczenie w kontekście specjacji i ewolucji adaptacyjnej (fot. 1). Na przykład gatunki w rodzaju Clarkia są znane z występujących u nich zmian chromosomalnych (translokacji i paracentrycznych inwersji) i zmian genowych (Kim 1994). Znaczna ewolucja chromosomalna jest również obserwowana w populacjach gryzoni (Patton & Sherwood 1983), które często mają małą liczebność populacji i wysoki poziom inbredu. 

Co się dzieje z częstościami genotypów w populacji w której dochodzi do samozapłodnienia?

W przypadku maksymalnej formy wsobności, czyli samozapłodnienia, obserwujemy mniej heterozygot i więcej homozygot w każdym pokoleniu. Heterozygotyczność można obliczyć, korzystając ze wzoru 
Ht = Hinicj. x (0,5)t, gdzie Ht jest heterozygotycznością po czasie t, a Hinicj. jest inicjalną heterozygotycznością. W przypadku samozapłodnienia, dla jednego locus częstość heterozygot maleje w każdym kolejnym pokoleniu o 50 procent. Natomiast dla dwóch niesprzężonych loci, zakładając inicjalną częstość alleli 0,5 i losowe kojarzenie się, częstość podwójnych heterozygot będzie wynosić 0,25. Jednak już po jednym pokoleniu samozapłodnienia, częstość heterozygot spadnie do 0,0625, a więc o 75 procent (Mitton 1993). Częstość alleli nie ulega zmianie z pokolenia na pokolenie. 

Oczyszczanie ładunku wsobności

Choć wiele jest dowodów na występowanie depresji wsobnej, można znaleźć przykłady, w których zmniejszona liczebność populacji i wysoki poziom wsobności nie przekładają się na znaczącą depresję wsobną. Depresja inbredowa jest szczególnie wysoka u gatunków, które zwykle kojarzą się niekrewniaczo (Simmons & JF 1977), jest natomiast znacznie mniejsza w przypadku gatunków rozmnażających się ze znacznym udziałem samozapłodnienia (Lande & Schemske 1985). Dlaczego tak jest? 
Zjawisko to często tłumaczy się oczyszczaniem ładunku wsobności (ang. purging of the inbreeding load) poprzez działanie selekcji naturalnej w warunkach inbredu. Skuteczność oczyszczania zależy od współczynnika inbredu, który jest odwrotnie proporcjonalny do wielkości populacji, a także od systemu rozmnażania. W populacji rozmnażającej się losowo szkodliwe dla osobnika recesywne allele o niskiej częstości, są niewidoczne dla selekcji naturalnej, dlatego nie są eliminowane, natomiast w przypadku różnych form wsobności stają się widoczne dla selekcji. Na przykład u Pinus sylvestris, nawet jeśli embriony powstałe w wyniku samozapłodnienia przetrwają do stadium siewki to i tak są eliminowane do trzeciego roku życia (Vogl et al. 2002). Tak więc, w przypadku kiedy krzyżowanie wsobne następuje szybko w bardzo małych populacjach, selekcja usuwa jedynie (lub w większości) mutacje letalne lub bardzo silnie szkodliwe (Frankham et al. 2001). Natomiast w przypadku dużych populacji, kiedy do wsobności dochodzi powoli, występują możliwości oczyszczenia również z alleli słabo szkodliwych, zanim populacja osiągnie wysoki poziom inbredu (Pérez-Pereira et al. 2021, Glémin 2003, García-Dorado 2012). Oczyszczanie zależy również od czynników środowiskowych, będąc bardziej efektywnym w stabilnych i konkurencyjnych środowiskach (López-Cortegano et al. 2016). 

Pomiar wsobności 

Przyczyny wsobności mogą być różne, dlatego istnieje kilka różnych miar wsobności w odniesieniu do osobnika. Stopień wsobności (inbredu) jest zwykle mierzony z wykorzystaniem współczynnika wsobności F (gdzie F jest prawdopodobieństwem, że dwa allele są identyczne przez pochodzenie (autozygotyczne) (ang. identity by descent, IBD), (Wright 1922; Malécot & de L’Hérédité 2007). Przy braku chowu wsobnego oczekiwana częstość homozygot dominujących w populacji w stanie równowagi dla pojedynczego dwuallelicznego locus wynosi f(AA) = p2, częstość heterozygot wynosi f(Aa) = 2pq, a częstość homozygot recesywnych f(aa) = q2 (p i q są częstościami alleli w locus w populacji (zob. prawo Hardy’ego-Weinberga). Załóżmy, że rozważamy populacje, gdzie pewna frakcja (1-F) nie jest inbredowana (nie IBD, dwa allele w danym locus są allozygotyczne). Z kolei pewna frakcja (F) populacji jest inbredowana (dwa allele w danym locus są IBD, autozygotyczne); wśród tych osobników żaden nie może być heterozygotą, gdyż oba allele są identyczne. Heterozygotyczność (2pq) w inbredowanej populacji można obliczyć, wykorzystując wzór 2pq (1-F) (Wright 1922). 
Wsobność można również obliczyć, biorąc pod uwagę stopień pokrewieństwa między osobnikami spokrewnionymi w stosunku do dwóch osobników wybranych losowo z populacji. Osobnik wykazuje wsobność, jeśli jego rodzice byli bliżej spokrewnieni niż dwa losowo wybrane osobniki. Miarą tak rozumianej wsobności jest współczynnik Fis, czyli miara odchylenia obserwowanej heterozygotyczności osobnika względem heterozygotyczności oczekiwanej przy losowym kojarzeniu (zob. równowaga Hardy’ego-Weinberga). Parametr Fis jest ekwiwalentem współczynnika wsobności gdy chów wsobny jest jedynym czynnikiem odpowiedzialnym za odstępstwa od równowagi Hardy’ego-Weinberga. Współczynnik można obliczyć na podstawie obserwowanej i oczekiwanej heterozygotyczności zgodnie ze wzorem 
Fis = 1-Ho/He. Wartość Fis większa od 0 oznacza więcej chowu wsobnego, niż oczekuje się w przypadku rozmnażania losowego, podczas gdy Fis < 0 wskazuje, że chów wsobny występował rzadziej niż oczekiwalibyśmy w warunkach losowych (Keller & Waller 2002)

Korelacje heterozygotyczności z dopasowaniem (fitness)

Ewolucja zachodzi, gdy zmienność w cechach związanych z fitness organizmów ma podłoże genetyczne i jest przekazywana z pokolenia na pokolenie. Stąd zrozumienie, jak zmienność genetyczna wpływa na fitness w populacjach, jest kluczowe dla zrozumienia ewolucji. Oszacowanie związku między indywidualną różnorodnością genetyczną oraz miarami cech życiowych, morfologicznych i fizjologicznych znane są jako korelacje heterozygotyczności z fitness (ang. heterozygosity-fitness-correlations, HFC) (Mitton & Grant 1984). Te korelacje mogą wynikać zarówno z selekcji przeciwko osobnikom homozygotycznym dla szkodliwych alleli recesywnych, jak i poprzez preferowanie heterozygot (Reed 2009). 
 

Fot. 2. Zmienność w liczbie wyprodukowanych nasion między osobnikami wpływa na ich dopasowanie (fitness) czyli względną liczbę potomstwa wnoszonego do następnego pokolenia przez poszczególne osobniki lub genotypy (tutaj mniszek pospolity, Taraxacum officinale) 


HFC jest określana ilościowo przez wariancję cechy związanej z fitness wyjaśnioną przez jej regresję na heterozygotyczność (r2), ale istnienie statystycznie istotnych korelacji trudno wykazać (Britten 1996). Aby wykryć HFC, musimy założyć, że heterozygotyczność loci markerowych, które wykorzystujemy do analizy, odzwierciedla ogólną heterozygotyczność osobnika, a nie jedynie lokalny efekt w genomie. To założenie niełatwo spełnić, ponieważ często analizowanych jest zbyt mało loci, szczególnie w odniesieniu do gatunków niemodelowych. Mała próba (mniejsza niż tysiące osobników) i niedostatecznie opisana fitness (wzrost, przetrwanie lub płodność są kolejnymi przyczynami niepowodzeń w wykrywaniu HFC (David 1998). Ponadto pozostaje otwartą kwestią identyfikacja genów wpływających na fitness organizmu. Dotychczas zdecydowana większość szacunków różnorodności genetycznej (heterozygotyczności) opierała się na markerach neutralnych (Kirk & Freeland 2011), zob. słowniczek.
Dlaczego fitness organizmów okazuje się czasami skorelowana z różnorodnością genetyczną mierzoną za pomocą markerów selektywnie neutralnych? Genetyczne markery selektywnie neutralne nie mówią nam przecież nic o adaptacyjnym potencjale populacji, choć są niezwykle pomocne dla oceny takich procesów jak przepływ genów lub efekt dryfu genetycznego w populacji (zob. ­słowniczek). Zaproponowano hipotezy wyjaśniające asocjacje pomiędzy neutralnymi markerami a cechami związanymi z fitness. Według pierwszej z nich, znanej jako hipoteza efektu lokalnego, pozytywna korelacja między fitness a heterozygotycznością wynika z nielosowego powiązania tych markerowych loci z tymi wpływającymi na fitness osobnika (zjawisko znane jako nierównowaga sprzężeń, ang. linkage disequilibrium). Druga hipoteza to hipoteza efektu bezpośredniego, według której marker molekularny sam w sobie ma funkcjonalny wpływ na cechę, która wiąże się z fitness. Z kolei hipoteza efektu ogólnego zakłada, że heterozygotyczność markerów molekularnych odzwierciedla heterozygotyczność w całym genomie, która z kolei jest skorelowana z indywidualnym poziomem wsobności i ekspresją szkodliwych alleli recesywnych (Balloux, Amos & Coulson 2004). Chociaż HFC są postulowane stosunkowo często na poparcie jednej z wymienionych hipotez, mechanizmy warunkujące wystąpienie asocjacji nie są w pełni poznane.

Zastosowanie chowu wsobnego w hodowli i uprawie

Chów wsobny jest celowo praktykowany, aby stworzyć genetyczną jednorodność szczepów/linii laboratoryjnych. Rozwój linii wsobnych wymaga czasu, czasami dziesięcioleci w przypadku niektórych uprawnych roślin i zmusza do zorganizowania rozległej przestrzeni doświadczalnej. Czy opłaci się skórka za wyprawkę? Hodowcy od wielu lat porównują cechy linii homozygotycznych uprawianych roślin lub zwierząt hodowlanych z osobnikami heterozygot...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy