Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Генетическая структура популяций и ее изменение в процессе отбора (обзор литературы)... 6
1.1.. Генетическая изменчивость популяций 6
I. I. I. Изменчивость по качест венным признакам 6
I.I.2. Гетерогенность популяций по количественным признакам . II
1.2. Изменение генетической структуры популяции при действии отбора 14
1.2.1. Отбор по дискретным признакам. 15
1.2.2. Отбор по количественным признакам 17
ГЛАВА 2. Материал и методы исследования 31
ГЛАВА 3. Результаты исследований и их обсуждение... 37
3.1. Влияние длительного отбора по одному количественному признаку на комплекс ассоциированных признаков 37
3.2. Оценка генетической структуры линий длительного отбора при помощи инбридинга 61
3.3. Влияние изменения вектора отбора на генетическую структуру длительно селектировавшихся линий 83
3.3.1. Динамика селектиро вавшихся признако в 83
3.3.2. Оценка генетико-статистических параметров
в линиях измененного вектора отбора 90
3.4. Обсуждение результатов 105
Выводы 114
Список литературы 115
Приношение 129
- Генетическая изменчивость популяций
- Гетерогенность популяций по количественным признакам
- Влияние длительного отбора по одному количественному признаку на комплекс ассоциированных признаков
- Влияние изменения вектора отбора на генетическую структуру длительно селектировавшихся линий
Введение к работе
Эволюционное учение является фундаментом всей современной биологии. Именно эволюционная теория является связующим звеном между отдельными отраслями биологии и смежными науками, а также философией. Решение таких общих проблем, как возникновение жизни, формирование разнообразия живых систем, эволюция видов, является задачей многих наук, однако, сами эти вопросы и их решение носит эволюционный характер.
До сих пор теория эволюции не является полностью завершенной теорией. Такие основные вопросы, как случайность и направленность эволюции, моно- и полифилетичность происхождения, связь между микро- и макроэволюцией и другие, не являются до конца разработанными. Решение этих, на первый взгляд чисто научных, проблем имеет большое практическое значение. Современное вмешательство человека в окружающую среду достигло таких размеров, когда он начинает оказывать влияние на естественный эволюционный процесс. Поэтому задачи охраны и рационального использования животных и растительных ресурсов, по сути, являются задачами управления эволюцией. Без понимания основных закономерностей эволюционного процесса такое управление может иметь катастрофические необратимые последствия.
Развитие эволюционных концепций оказывает существенное влияние и на разработку теоретических основ селекции. Поскольку "селекция это управляемая человеком эволюция" культурных растений и домашних животных, то применение закономерностей эволюционного процесса позволяет более эффективно организовать селекционный процесс. Такие фундаментальные селекционные задачи, как выбор родителей для отбора и подбор пар для скрещивания, носят эволюционный и генетический характер. Решение этих эволюционно-генетических задач позволит направленно и в кратчайшие сроки получать новые ценные сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов.
Эволюционная теория связана с генетикой популяций. Приспособленность, гетерогенность, стабильность и изменчивость популяций являются основными вопросами эволюционной теории и генетики популяций. Любое эволюционное изменение может быть фиксировано лишь на популяционном уровне и это зависит от действия и взаимодействия многих эволюционных факторов. В результате изменение может исчезнуть из популяции, сохраняться у малого количества особей или распространяться по всей или большей части популяции. Важнейшим из этих факторов является отбор.
В настоящее время имеется достаточное количество данных о действии отбора в естественных условиях, а также в экспериментах на модельных объектах, что дало возможность не только наблюдать результаты отбора, но и охарактеризовать динамику ряда генетических параметров и проанализировать некоторые принципиальные вопросы статистических процессов, происходящих при отборе. Однако эти данные касаются либо одного, либо двух скоррелированных признаков. Изучение влияния процесса отбора на комплекс признаков, хотя и является принципиально важным, как для понимания эволюционной значимости отбора, так и для повышения эффективности селекционного процесса, но до сих пор в широких масштабах не проводилось.
Целостный подход к организму выдвигается в разряд наиболее важных проблем современной биологии. Без учета этого феномена невозможно глубокое понимание основополагающих биологических явлений и процессов. Идея целостности получила дальнейшее развитие в концепции ассоциативного отбора (Савченко, 1980а). Эта концепция в качестве элементарной единицы отбора рассматривает не изолированный признак, а организм, как целое, что позволяет сделать предметом изучения сопряженную изменчивость комплекса ассоциированных признаков. Ввведение количественных мер для оценки ассоциированной системы позволят начать комплексное изучение сложных генетических про-
цессов, наблюдаемых при отборе.
Экспериментальная проверка концепции ассоциативного отбора является необходимым условием дальнейшего совершенствования и развития целостной оценки фенотипа и генотипа и прогнозирования результатов отбора.
Наиболее благоприятным объектом для решения популяционных задач является Drosophila meianogaster Такие качества этого объекта как хорошая генетическая изученность, короткий жизненный цикл, отработанность методик лабораторного культивирования и др. делают его чрезвычайно удобным для многих популяционно-генетиче-ских задач.
Целью настоящей работы, в рамках экспериментальной проверки концепции ассоциативного отбора, являлось изучение действия процесса длительного отбора по одному количественному признаку на систему ассоциированных признаков. В задачу исследования входило:
Изучение изменения фенотипической и генотипической структуры комплекса количественных признаков в линиях длительного отбора в зависимости от его направления и влияния селектировавшегося признака на систему гомеостаза.
Изучение влияния длительного отбора на структуру взаимосвязей ассоциированных признаков.
Изучение влияния инбридинга на величину, изменчивость и структуру взаимосвязей системы ассоциированных признаков у линий длительного отбора.
Определение генетико-статистических параметров в селектировавшихся линиях при изменении вектора отбора.
Работа выполнена в лаборатории теоретической генетики Института генетики и цитологии АН БССР в период с 1980 по 1983 годы под руководством доктора биологических наук В.К.Савченко.
Генетическая изменчивость популяций
Мутационный процесс, поставляющий элементарный материал для эволюции, изменяет гены, переводя их из одного аллельного состояния в другое с определенной скоростью. Изменение генных частот в популяции проявляется в характере и степени генетической изменчивости признаков, контролируемыми этими генами. Генетическая изменчивость часто находится в скрытом состоянии ввиду эффекта доминирования аллелей. Однако частота новых аллелей может достигать такой величины, что эта изменчивость после гомозиготизации попадает под давление естественного отбора.
Большинство природных популяций приспособлено к определенным условиям среды. Для непрерывной эволюции необходимо иметь запас генетической изменчивости. В популяциях диплоидных организмов МО -жет храниться запас изменчивости, не имеющий фенотипического проявления. У полиплоидных организмов этот запас может быть еще больше, так как за проявлением одного аллеля дикого типа может скрываться несколько мутантных аллелей (Савченко, 1976). Такая скрытая изменчивость обеспечивает генетическую пластичность популяций в изменяющихся условиях среды (Константинов, 1979).
Первое экспериментальное изучение генетической изменчивости в природных популяциях было проведено С.С.Четвериковым. Оценивая факторы эволюции с позиции популяционной генетики С.С.Четвериков выдвинул принципиально новые положения:
1) в природе мутационный процесс происходит так же, как и в лабораторных опытах, что позволяет данные последних переносить на природные ситуации;
2) возникновение новых мутаций у всех видов живых организмов происходит непрерывно, но большинство из них оказывается рецессивными по отношению к аллелям дикого типа;
3) преобладание панмиксии у большинства природных популяций способствует действию закона Харди-Вайнберга (Четвериков, 1926).
Вскрытие генетических особенностей панмиктических популяций позволило объяснить существование мутантных аллелей даже при полной элиминации их гомозигот. Главный вывод С.С.Четверикова - за фенотипической мономорфностью популяции может скрываться огромная генетическая гетерогенность.
При изучении видимых рецессивных мутаций, с помощью инбридинга или скрещивания со специальными тестерными линиями установлено, что генетическая гетерогенность составляла от I до 40% для различных популяций (Дубинин и др., 1937). Причем, частота мутантного гена может меняться в зависимости от времени года и условий среды (Тимофеев-Реееовский, 1940). Рецессивные летальные мутации встречаются в природных популяциях с большей частотой, чем види - 8 -мые (Дубинин, 1966). Однако учет мутаций данных типов не дает представления о всем геноме в целом, поскольку доля этих локусов в генетическом материале особи не велика.
Использование электрофоретических методов анализа изменчивости дает значительное преимущество, поскольку возможно изучение большого количества ферментов одновременно у одной особи, а также картирование генов, контролирующих синтез этих ферментов. Уровень генетической изменчивости, выявленный методом гель-электрофореза, оказался.гораздо выше, чем предполагалось первоначально. Так, у дрозофилы доля полиморфных локусов на популяцию составила 0,529, а гетерозиготных на особь - 0,15 ( Hamrick , 1979, Soibrig, 1971). В среднем у беспозвоночных животных доля полиморфных локусов на популяцию составляет 0,47, гетерозиготных на особь - 0,14; у позвоночных животных - 0,25 и 0,06; у растений - 0,39 и 0,15 соответственно ( Hamrick , 1979). Однако общий уровень генетической изменчивости по ферментам пока точно не установлен, поскольку не выяснено, какое изменение является генетическим, а какое обусловлено изменением конформации белковой молекулы (постстран-сляционная модификация) (Левонтин, 1978). Число исследованных видов также невелико, и по техническим причинам число одновременно изучаемых ферментов не превышает 30. Эти факторы значительно усложняют оценку общей генетической изменчивости популяций и причины ее возникновения и сохранения. В связи с этим существует несколько различных гипотез, пытающихся объяснить наличие и механизмы поддержания гетерогенности на популяционном уровне, однако единого общепринятого объяснения в настоящее время нет.
Гетерогенность популяций по количественным признакам
Генетическая структура популяции по качественным признакам характеризуемся частотами аллелей. Подобное описание количественных признаков, детерминация которых связана с большим числом генов, невозможна. При исследовании непрерывной изменчивости применяются статистические параметры: средние значения, дисперсия, корреляция и др.
Изучение действия отбора в "чистых" линиях,в популяциях позволило разделить непрерывную изменчивость на "модификационную", зависящую только от факторов среды, и "генотипическую", обусловленную вариацией различных генотипов (Иогансен, 1935). Дальнейшее разви тие статистического анализа привело к созданию методов разложения непрерывной фенотипической изменчивости на средовую и генетическую (Серебровский, 1970, Fisher , 1958, Wright , 1968). Современный генетический анализ количественных признаков, основанный на применении дисперсионного и регрессионного анализов, позволяет выделять следующие компоненты общей изменчивости: генетическую изменчивость, которая состоит из аддитивной, доминантной и эписта-тической дисперсий, и паратипическую изменчивость (Хотылева, Тара-тина, 1982, Снедекор, 1961, Рокицкий, 1978). В некоторых случаях возможен учет взаимодействий между различными компонентами генетической изменчивости и линейные и нелинейные эффекты взаимодействия "генотип-среда" (Хотылева, Тарутина, 1982, Jinke, Pooni , 1979).
Анализ природных популяций выявил значительную генетическую изменчивость по количественным признакам у различных видов растений и ЖИВОТНЫХ (Глотов, 1977, Chakraborty , 1982, Kitagawa et al, 1982). Наиболее значительными оказались различия между субпопуляциями. Различия между семьями внутри отдельных групп,хотя и меньше, но статистически существенны ( Milkman , 1965,
Riggins, Pimenteii ). Особый интерес представляет наличие эко-лого-генетических взаимодействий (Глотов, 1982, Тараканов, 1982а). Существенная часть генетической изменчивости природных популяций формируется за счет взаимодействия генотип-среда, причем эффекты взаимодействия выше в тех случаях, когда доля генетической изменчивости ниже (Тараканов, 19826). Доля особей, вносящих наибольший вклад в эффект взаимодействия, колеблется от 8 до 60%. Более равномерный эффект особей отмечается по признакам, сильно связанным с системой гомеостаза.
Наиболее широко методы генетико-математического анализа применяются в селекционных программах для анализа исходного материала при создании новых сортов растений и пород животных. При изучении различных видов растений было показано, что большей генетической изменчивостью обладают перекрестно опыляемые растения (Жученко, 1980). Самоопылители имеют значительно меньшую генетическую гетерогенность (Дьяков, 1982, Кильчевский, 1982).
Исследование генетической структуры отдельных количественных признаков позволило разделить их на три группы: с низким (0,05 -0,1), средним (0,1 - 0,3) и высоким (более 0,3) коэффициентом наследуемости. К первой группе относится урожайность и продуктивность, ко второй - элементы урожайности, к третьей - продолжительность вегетационного периода и химический состав продукта. Низкая генетическая изменчивость по признакам первой группы может быть связана с тем, что эти признаки являются производными и являются интегральной оценкой сорта или популяции. Изменение такого признака, даже незначительное, может сильно сказываться на системе гомео-стаза. Поэтому изменение одного из элементов урожайности может компенсироваться изменением других элементов, что и поддерживает генетическую однородность интегрального признака (Григорян, 1981). Поэтому даже при наличии большой генетической изменчивости по признакам, являющимися компонентами урожайности, повысить урожайность или продуктивность сорта методом отбора не всегда возможно.
Применение генетико-статистических методов при анализе количественных признаков позволило выявить существенную генетическую гетерогенность, как между различными природными популяциями одного вида, так и внутри отдельно взятой популяции, линии, сорта. Однако интерпретация получаемых результатов осложнена тем, что в настоящее время практически невозможно сопоставить степень полиморфизма и долю гетерозигот с величиной статистических параметров.
Влияние длительного отбора по одному количественному признаку на комплекс ассоциированных признаков
Для исследования использовались линии дрозофилы, прошедшие отбор в течение 90 поколений отдельно по числу щетинок и длине торакса - признакам по-разному влияющим на приспособленность особей (Добина, Танапко, 1980). В процессе отбора наблюдались типичные его результаты - сдвиг кривой распределения в направлении действия отбора. Скорость отбора была выше по признаку числа щетинок, для которого была и выше генетическая изменчивость в исходной популяции. В линиях,селектировавшихся по длине торакса,отмечена асимметрия в ответах на отбор. На протяжении всего эксперимента величина ответа на отбор в сторону увеличения признака значительно больше, чем в сторону уменьшения. Для ЧЩП и ЧЩМ"асимметрия наблюдалась только в начальных поколениях. Характер изменений генетической структуры признаков оказался довольно сложным (Рокицкий и др., 1977а). Однако эти данные касаются только селектировавшихся признаков.
Поэтому является целесообразным изучение изменения генетической структуры линий, вышедших на селекционное плато, по комплексу ассоциированных признаков в связи с направлением отбора и зависимостью признака от системы гомеостаза.
Полученные данные показывают, что направленный отбор по одному признаку приводит к изменению всего комплекса ассоциированных признаков (приложение табл. I). Причем, если в линиях, селектировавшихся по длине торакса (ДТП и ДТМ), направление изменения не-селектируемых признаков, связанных с размером тела, совпадает с направлением действия отбора, то в линиях, селектировавшихся по числу щетинок (ЧЩП и ЧЩ) - не зависит от направления его действия и изменяется только в сторону уменьшения. Наиболее значительные изменения комплекса ассоциированных признаков наблюдались у линии ДТМ по сравнению с ДТП и у линии ЧЩП по сравнению с ЧЩ (рис. 3.1 и 3.2). Это, вероятно, связано с асимметрией ответа на отбор по селектируемому признаку, хотя характер этой связи довольно сложен.
Было интересно посмотреть, как наследуются изменения, возникшие в процессе отбора. Изучение наследования изменений комплекса признаков у гибридов первого, второго и третьего поколений от скрещивания линий различных направлений отбора показало, что при скрещивании вся система ассоциированных признаков быстро реверти-рует к исходному уровню. Превышение исходных значений признаков у гибридов FT скорее связано с эффектом гетерозиготности, чем доминирования. Резкое уменьшение признаков в Fp, которое наблюдалось у гибридов Fo,может быть обусловлено отрицательной трасгрессией или тем фактом, что для изучения Fp была взята выборка, не превышающая по численности выборку из родительских линий и гибридов FT. У гибридов третьего поколения значения комплекса ассоциированных признаков приблизились к исходному уровню, но все же большинство признаков были ниже этого уровня.
Соотношение размеров тела у линий длительного отбора и гибридов было нарушено незначительно. Такая степень сопряженности признаков, определяющих размер тела, и их поведение при скрещивании селектируемых линий предполагает, что все эти признаки контролируются в основном генами или системами генов, обладающих плейотроп-ным эффектом с аддитивным характером действия. Однако резкое колебание значений признаков у гибридов может быть связано с наличием взаимодействия между генами.
Анализ фенотипической изменчивости выявил значительное увеличение среднего квадратического отклонения у линий ДТП и ЧЩ (приложение табл. 2). Интерес представляет тот факт, что в линии ДТМ не наблюдалось достоверных изменений среднеквадратических отклонений, за исключением резкого уменьшения этого параметра по признаку ЧЩ, который менее тесно связан с селектировавшимися (рис. 3.3 и 3.4).
Анализ наследования структуры изменчивости выявил уменьшение изменчивости по большинству признаков у гибридов первого поколения. У гибридов Рт от скрещивания линий ДТ уменьшение изменчивости не существенно, за исключением признака ЧЩ, а по признаку МТ наблюдалось незначительное превышение дисперсии по сравнению с исходной популяцией. В обоих случаях не выявлено изменение дисперсии по селектировавшимся признакам, это, вероятно, связано с сохранением генетической гетерогенности у селектировавшихся линий.
Увеличение среднеквадратических отклонений у гибридов Рр наблюдалось прежде всего по признакам, связанньм с размером тела. В Ро от скрещивания линий ЧЩ увеличение изменчивости отмечено только по селектировавшемуся признаку. В Рд наблюдалась постепенная реверсия уровня изменчивости к исходному, хотя уровень изменчивости, возникший в Рр» еще сохранялся.
При анализе средних значений отмечалось, что признаки, связанные с размером тела, изменяются однонаправленно. При исследовании структуры фенотипической изменчивости установлено, что изменение дисперсий этих признаков не всегда однонаправленно. Это указывает на сложные взаимоотношения внутри системы ассоциированных признаков.
Влияние изменения вектора отбора на генетическую структуру длительно селектировавшихся линий
Из линии ДТП были заложены две новые сублинии ДБШ и ДБПМ, на увеличение и уменьшение длины брюшка. В обоих случаях отбор оказался эффективным (рис. 3.24). Результативность отбора на увеличение признака оказалась значительно меньше, чем на уменьшение этого показателя. Это может являться следствием либо действия естественного отбора или определяться генетической структурой линии, сложившейся в процессе длительного отбора. Возможно и взаимодействие этих двух факторов, что может привести к значительной асимметрии ответах на отбор.
Изменчивость селектировавшегося признака сохранилась на прежнем уровне (рис. 3.24). Следует лишь отметить тенденцию к уменьшению среднеквадратического отклонения в линии ДБПП.
Отбор на увеличение и уменьшение признака ДБ, начатый из линии ДТМ, оказался эффективным только на увеличение признака (рис. 3.25). В линии ДЕМП отбор оказался неэффективным и практически не привел к изменению селектировавшегося признака. Некоторое увеличение признака в линии ДЕММ, вероятно, связано с отрицательной регрессией родитель-потомок в линии ДТМ. Отсутствие реакции на отбор, несмотря на наличие изменчивости по селектировавшемуся признаку, указывает на действие естественного отбора в направлении противоположном искусственному. Возможно, что однонаправленность естественного и искусственного отборов значительно увеличила эффективность последнего в линии ДЕМП. В линиях ДБГШ и ДЕММ в процессе отбора отмечено некоторое уменьшение фенотипи-ческой изменчивости, причем в линии ДЕММ динамика изменчивости была более выраженной.
Полученные результаты показывают, что эффективный отбор по вновь селектируемому признаку, тесно связанному с ранее селектировавшимся, возможен лишь в противоположном направлении. В связи с этим представляет интерес изучить действие отбора в линиях, вышедших на селекционное плато по признаку, слабо скоррелированно-му с ранее селектировавшимся.
Изменение вектора отбора в линии ЧЩП на новый признак длину торакса показало эффективность такого отбора только в случае его направленности на увеличение вновь отбираемого признака. Отбор же на уменьшение этого признака оказался безрезультатным и не привел к значительным изменениям (рис. 3.26). Варьирование признака ДТ в процессе отбора практически не изменилось, однако, следует отме-тить превышение уровня фенотигшческой изменчивости линии ДТПМ по сравнению с линией ДТПП.
Неэффективность отбора в минус-направлении при изменении век-рота свидетельствует о силе популяционного гомеостаза. Очевидно, что в результате проведенного ранее длительного отбора сложилось такое соотношение генов, изменению которого в минус-направлении препятствует действие естественного отбора. Увеличение признака направлено в сторону реверсии его значения к уровню ИП. Это, вероятно, является причиной высокой эффективности отбора в плюс-направлении.
Анализ динамики изменения признака ДТ в линиях ДТМП и ДІММ, полученных из линии ЧЩМ, показал эффективность отбора по вновь отбираемому признаку в обоих направлениях. Асимметрия в ответах на отбор практически не наблюдалась (рис. 3.27). Вероятно, отбор на уменьшение числа щетинок в меньшей степени изменил систему гомеостаза, чем в плюс-направлении. Это согласуется с данными об изменении комплекса ассоциированных признаков. В линии ЧЩП весь комплекс признаков изменился более значительно, чем в ЧЩМ.
Полученные данные позволяют заключить, что новый отбор по признаку, тесно связанному с ранее селектировавшемуся, эффективен лишь в направлении противоположном ранее проводимому. Неэффективность такого отбора в прямом направлении, возможно, обусловлена действием естественного отбора. При организации отбора по признаку, менее связанному с ранее селектировавшимся, его эффективность зависит от действия популяционного гомеостаза. Эффективный отбор возможен лишь при реверсии значения к исходному уровню.
