Tilbake til søkeresultatene

FRIMEDBIO-Fri prosj.st. med.,helse,biol

The effect of population size on short-term rates of evolution in natural populations

Tildelt: kr 8,8 mill.

Populasjonsstørrelse har stor betydning for mange økologiske, genetiske og evolusjonære prosesser. Et viktig spørsmål er derfor om, og i tilfelle hvor raskt, små populasjoner vil kunne tilpasse seg endringer i miljøet. I dette prosjektet var hensikten å finne koblinger mellom økologiske og genetiske prosesser for å undersøke hvordan populasjonsstørrelse og variasjon i tid og rom kan påvirke hastigheten til evolusjonære prosesser ute i naturen. For å besvare disse spørsmålene samla vi inn unike data fra langtidsstudier av naturlige og eksperimentelle gråspurv-populasjoner på Helgelandskysten og analyserte disse dataene ved å bruke en kombinasjon av nye genomiske metoder og avansert statistikk. Resultatene våre viste at små populasjoner mista genetisk variasjon raskere enn store populasjoner, og at genetisk variasjon ble mista raskere enn forventa ut ifra den observerte populasjonsstørrelsen. Forskjeller i reproduktiv suksess mellom individer, og spesielt mellom eldre hanner, så ut til å være den viktigste fakturen som påvirka hvor mye raskere genetisk variasjon ble mista. Immigrasjon så imidlertid ut til å motvirke tapet av genetisk variasjon, og spredning førte også til større genetisk likhet mellom populasjoner. En interaksjon mellom spredning og fluktuasjoner i populasjonsstørrelse var sannsynligvis årsaken til at det var en tendens til at øy-populasjoner hadde lågere nivåer av genetisk variasjon og hadde høgere grad av genetisk differensiering enn populasjoner på fastlandet. Vi brukte resultater fra et eksperiment på Helgelandskysten der gråspurv ble flytta fra Vega til Vikna for å undersøke hvordan «fremmede gener» sprer seg i en populasjon. Analysene viste at det genetiske fotavtrykket til introduserte individer var relativt lite, kanskje på grunn av sosiale prosesser innen hver delpopulasjon, men at genetisk variasjon som ble introdusert fra Vega fortsatt var til stede etter nesten ti år. Vi fant også at den genetiske sammensetningen i Vikna-populasjonen varierte over tid, men at dette sannsynligvis skyldtes tilfeldige prosesser innen de relativt små delpopulasjonene. I løpet av prosjektet har vi utvikla avanserte statistiske modeller for å estimere den relative betydningen av arv (gener) og miljø for variasjon i ulike typer trekk. Ved å bruke disse modellene har vi vist at den arvelige komponenten for mange trekk, og dessuten den genetiske koblinga mellom trekk, kan variere mellom populasjoner. Disse resultatene antyder at hastigheten på adaptiv evolusjon kan variere mellom populasjoner av samme art, sjøl når seleksjonen virker på samme måte. De statistiske modellene våre kan også brukes for å undersøke om forandringer en observerer i et trekk over tid skyldes forandringer i genene som koder for trekket, eller om de er et resultat av forandringer i miljøet. Vi kunne for eksempel avgjøre at reduksjonen i nebbhøyde som ble observert i noen av studiepopulasjonene våre fra 1993 til 2002 mest sannsynlig skyldtes miljøforandringer, og ikke genetiske forandringer. Seleksjon, en sammenheng mellom fenotype og fitness (overlevelse og reproduksjon), er den viktigste årsaken til adaptiv evolusjon av arvelige trekk. Studiene våre har vist at for eksempel parasittinfeksjon og metabolsk rate påvirker individenes fitness, men at effekten på fitness kan variere mellom populasjoner og hanner/hunner. Vi har dessuten brukt data fra et kunstig seleksjonseksperiment til å vise at det ser ut til å være en optimal kroppsstørrelse hos gråspurv på Helgeland, og at det er naturlige krefter som virker slik at gjennomsnittsstørrelsen forblir nær dette optimumet. Videre har vi utvikla avanserte statistiske metoder som gir riktige estimater for seleksjon i naturlige populasjoner, som vanligvis inneholder individer i ulike aldersklasser, og som påvirkes av tilfeldige fluktuasjoner i både individuell fitness (som kan være store i små populasjoner) og i miljøet. Disse modellene kobler sammen økologiske og evolusjonære prosesser i naturlige populasjoner på en god måte. For å forstå de genetiske og evolusjonære prosessene i modellsystemet vårt enda bedre har vi sekvensert gråspurvgenomet, og genotypa ca 4000 individer på 200 000 genetiske markører kalt Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) som ligger spredt utover i genomet. Dette arbeidet var svært vellykka, og SNP-genotypedataene våre har blant annet blitt brukt til å undersøke den genetiske arkitekturen til flere morfologiske trekk. Disse analysene har vist at andelen fenotypisk variasjon som forklares av ulike kromosomer har sammenheng med størrelsen på kromosomet, noe som antyder at de fleste trekkene er påvirka av mange gener som er spredt utover i genomet. Vi forsøkte allikevel å kartlegge genene som koder for morfologiske trekk, og fant steder i genomet (kalt QTL'er) der det er sannsynlig at gener som koder for trekkene befinner seg. Dette åpner muligheten for å studere hvordan økologiske og evolusjonære prosesser virker direkte på individuelle gener.

Population size is the key factor governing many fundamental ecological, population genetic and evolutionary processes. A major concern is to what extent small populations are able to evolve in response to changes in the environment. Our goal is to integr ate ecological and population genetic processes to examine how population size and spatio-temporal scaling of environmental fluctuations and dispersal affect short-term rates of adaptive evolution in natural age-structured populations in fluctuating envir onments. Unique empirical data from long-term studies of natural and experimental house sparrow (Passer domesticus) populations will be analysed with state-of-the art genomics tools and advanced statistical methods. The results will enable us to examine h ow key processes important to short-term adaptive evolution are affected by variation in population size and dispersal. Specifically we will: 1) Estimate population specific levels of demographic and environmental stochasticity to provide a link between p opulation ecological and population genetic processes. 2) Examine effects of population size and dispersal on actual rates of genetic drift across the genome. 3) Investigate how population size and dispersal affects levels of additive genetic variance and quantify the genetic load it may cause in a fluctuating environment. 4) Estimate strength and direction of selection across populations and years and examine how population size and dispersal affect spatio-temporal variation in selection, and use these w ith estimates of additive genetic variance to examine effects on predicted rates of adaptive evolution. 5) Test how population size and dispersal affect actual rates of adaptive evolution estimated by changes in estimated breeding values and genomic breed ing values. 6) Examine how population size and dispersal affect spatio-temporal variation in selection and contemporary rates of evolution measured at SNPs within individual quantitative trait loci.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRIMEDBIO-Fri prosj.st. med.,helse,biol

Finansieringskilder