معلومة

9: استخدام الصلبان الجينية لتحليل صفة الثعبان - علم الأحياء


9: استخدام التهجينات الجينية لتحليل سمة من سمات الثقب الأسود

مختبر ظاهري Stickleback Evolution

يستكشف هذا المعمل التفاعلي المعياري كيفية استخدام أسماك أبو شوكة والعينات الأحفورية لدراسة العمليات التطورية ، مع التركيز على جمع البيانات وتحليلها.

في هذا المعمل ، يتعلم الطلاب ويطبقون تقنيات لتحليل أشكال وهياكل الكائنات الحية - على وجه الخصوص ، الهياكل الحوضية لأسماك الشوكة ثلاثية الشوكة (Gasterosteus aculeatus) ، وهو كائن نموذجي لدراسة التطور. يتضمن المعمل ثلاث وحدات يقوم الطلاب من خلالها بجمع وتحليل البيانات باستخدام صور لعينات الأسماك الحية والحفريات. في جميع أنحاء هذا المعمل ، يشارك الطلاب في الممارسات العلمية الرئيسية ، بما في ذلك إجراء القياسات الكمية ، والرسوم البيانية ، وإجراء التحليلات الإحصائية.

يحتوي المعمل على مساحة معملية تفاعلية ، ودفتر ملاحظات إعلامي ، ومقاطع فيديو ، وأسئلة اختبار مضمنة. ويتضمن أيضًا موارد تكميلية ، مثل مسرد المصطلحات العلمية وقائمة المراجع.

توفر النشرات المصاحبة هيكلًا وتوجيهًا أثناء قيام الطلاب بإجراء الدروس والتجارب والاختبارات في المختبر. والفرق الوحيد بين الإصدارين "الأساسي" و "المتقدم" للنشرة هو أن الإصدار "الأساسي" لا يتضمن أجزاء المعمل مع تحليلات مربع كاي. توفر "مواد المعلم" معلومات أساسية ونصائح حول استخدام المختبر الافتراضي ومفتاح إجابة لنشرات الطلاب.

يوجه رابط "Resource Google Folder" إلى مجلد Google Drive لمستندات الموارد بتنسيق محرّر مستندات Google. قد لا تتوفر جميع المستندات القابلة للتنزيل الخاصة بالمورد بهذا التنسيق. تم تعيين مجلد Google Drive على أنه "عرض فقط" لحفظ نسخة من المستند في هذا المجلد على Google Drive ، وافتح هذا المستند ، ثم حدد ملف ← "إنشاء نسخة". يمكن نسخ هذه المستندات وتعديلها وتوزيعها عبر الإنترنت باتباع شروط الاستخدام المدرجة في قسم "التفاصيل" أدناه ، بما في ذلك اعتماد BioInteractive.


أساليب

سكان الأسماك

لقد جمعت ثلاثة شباك شوكي من أربع مجموعات في جنوب غرب كولومبيا البريطانية. المجموعتان البحريتان ، Oyster Lagoon (49 ° 36′43 N ، 124 ° 01′57 ″ W) في شبه جزيرة Sechelt و Little Campbell River (49 ° 00′52 ″ N ، 122 ° 45′33 ″ W) 45 على بعد كيلومتر جنوب فانكوفر ، تتميز بأشواك طويلة (الشكل 1) ، وحزام حوضي كبير وقوي. كان جميع الأفراد الذين تم أخذ عينات منهم من أجل العبور من الشكل الكامل للصفائح الجانبية (الشكل 2). مجموعتي المياه العذبة ، بحيرة باكستون (49 ° 36′43 شمالًا ، 124 ° 01′57 غربًا) في جزيرة تيكسادا وبحيرة ماكاي (49 ° 36′43 شمالًا ، 124 ° 01′57 غربًا) في جزيرة فانكوفر ، تم تمييزها بواسطة أشواك ظهرية قصيرة (الشكل 1) ، وكانت من شكل صفيحة جانبية منخفضة (الشكل 2). في بحيرة باكستون ، جمعت فقط أفرادًا من الأنواع القاعية (Schluter and McPhail 1992) ، والتي تفتقد الغالبية العظمى منها إلى حزام الحوض وأشواك الحوض (McPhail 1994). كان لدى جميع الأفراد من بحيرة مكاي حزام حوضي وأشواك الحوض ، ولكن تقلصت كلتا السمتين بشكل كبير مقارنة بالسكان البحريين (الشكل 1).

بروتوكول تجريبي

لقد صنعت مجموعتين من التهجينات بين مجموعات المياه العذبة والبحرية. يمكن العثور على تفاصيل العبور والتخصيب وتربية الأسماك في الطرق التكميلية في المعلومات الداعمة. بدأت المجموعة الأولى مع ذكور باكستون القاعية وإناث أويستر لاغون البحرية لتأسيس ستة إفرازات منفصلة1 خطوط (خط باكستون). زوج واحد من الأخ والأخت من كل F1 تم عبور خط باكستون ، وإنشاء ستة خطوط باكستون منفصلة2 عائلات للدراسة. بدأت المجموعة الثانية من الصلبان من ذكر واحد من ذكر بحيرة مكاي وأنثى بحرية واحدة من نوع ليتل كامبل لتأسيس واحدة F1 خط (خط مكاي). تم بعد ذلك عبور عشرة أزواج من الأخ والأخت لتأسيس 10 فهرنهايت2 عائلات من خط مكاي للدراسة. يمكن العثور على أحجام العينات قبل وبعد تجارب الافتراس لكل عائلة من كل مجموعة من التهجينات في الجدول الداعم S1. كان الاختلاف في أطوال العمود الفقري الظهري والحوضي وطول حزام الحوض وعدد الصفائح الجانبية موجودة في F2 ذرية كلا مجموعتي الصلبان. لذلك ، قمت بفحص تأثير الافتراس على أطوال العمود الفقري الظهري والحوض ، وطول حزام الحوض ، و إيدا تردد الأليل في كلا الهجينين. على الرغم من استخدام F.2 العائلات التي تم إنشاؤها من ستة أزواج (خط باكستون) أو زوج واحد (خطوط ماكاي) من الآباء والأمهات الذين تم اصطيادهم في البرية تحد من مقدار التباين الجيني المتاح في العائلات التجريبية إلى ذلك الموجود في الوالدين الأصليين ، الحدث F2 أظهرت عائلات كلا الهجين مستويات متشابهة من التباين المورفولوجي الذي يمكن أن يعمل عليه الاختيار. كان معامل الاختلاف في حجم الجسم حوالي 10٪ في كل F2 الأسرة والانحراف المعياري لبقايا طول العمود الفقري والحزام كان متشابهًا في كلا الهجينين (الجدول الداعم S1). فقط خط باكستون F.2 أظهرت العائلات تباينًا في الفصل في وجود وغياب حزام الحوض والعمود الفقري.

أجريت تجارب الافتراس في 20 حاوية ذات إطار خشبي مبنية في المنحدرات الضحلة لحوض تجريبي واحد (23 مترًا في 23 مترًا) في حرم جامعة كولومبيا البريطانية. تم وضع خمسة حاويات على كل جانب من البركة مع محور طويل متعامد على الخط الساحلي ومنحدر باتجاه مركز البركة بعمق 3 أمتار. يبلغ طول الإطار الخشبي لكل حاوية 1.83 مترًا وعرضها 0.91 مترًا وارتفاعها 0.91 مترًا في أعمق جوانبها وارتفاعها 0.46 مترًا في أعمق جوانبها. كانت الجوانب الرأسية مغطاة بغربال باب شبكي ناعم مقاس 1 مم ، ومختوم بالسيليكون ودفن في الركيزة الرملية للبركة. كان الجزء العلوي مغطى بحاجز باب لمنع اليعسوب البالغ من وضع البيض في العبوات. داخل كل حاوية ، دفنت 16 نباتًا اصطناعيًا عائمًا مصنوعًا من أكياس بلاستيكية خضراء ممزقة لتوفير ملجأ لكل من الحيوانات المفترسة والفرائس. تم بعد ذلك ملء البركة بحيث يجلس مستوى الماء فوق قاع النهاية الضحلة للحاوية ، مما ينتج عنه أقصى عمق للمياه يبلغ حوالي 0.5 متر وحجم نهائي يبلغ حوالي 380 لترًا في كل حاوية. قمت بزرع بذور كل حاوية بالعوالق الحيوانية التي تم التقاطها بواسطة سحب العوالق في البرك المجاورة مباشرة قبل إدخال F2 العائلات.

بدأت التجارب التجريبية بتقسيم كل F2 الأسرة في النصف عن طريق التخصيص العشوائي للأفراد في واحد من اثنين من حاويات العلاج: علاج الافتراس مع اثنين من الحشرات المائية المفترسة الشائعة لشوكة الشوكة الصغيرة (Reimchen 1994) ، والسباحون الخلفيون (Notonecta sp.) واليعسوب naiads (عشنا sp.) ، وعلاج تحكم واحد لا يحتوي على حيوانات مفترسة. على الرغم من كلاهما Notonecta و عشنا تفضل أن تتغذى على أصغر الأسماك المتاحة (Foster et al. 1988) ، تختلف هذه الأنواع المفترسة في قدرتها على اصطياد واستهلاك فرائس الشوكة ذات الأحجام المختلفة. Notonecta يبدو أنها مقيدة لتتغذى على صغار أبو شوكة التي يقل طولها القياسي عن 15 مم ، بينما عشنا لوحظ أنها تلتقط وتستهلك شوكة الظهارة اليافعة التي يصل طولها إلى 25 مم (فوستر وآخرون ، 1988). وبالتالي ، فإن بقاء شوكة الشوكة اليافعة المعرضة للحشرات المفترسة في هذه التجربة قد يحدث من خلال تجنب المفترس (تجنب الاكتشاف أو الأسر) ، وكذلك الهروب بعد الأسر. الأحداث F2 تم تأقلم العائلات بين عشية وضحاها قبل إدخال الحيوانات المفترسة. اليوم التالي Notonecta و عشنا تم اصطياد الحيوانات المفترسة في أحواض تجريبية مجاورة وإضافتها إلى العلبة المخصصة لمعاملة المفترس. بالنسبة لكل تجربة مفترسة ، كانت نسبة الحشرات المفترسة إلى فريسة الشوكة من 0.6 إلى 1 ، وكانت النسبة النسبية لكل نوع مفترس 0.62 Notonecta إلى 0.38 عشنا، على غرار النسبة النسبية لكل نوع وجدت في بحيرة الشوكة الطبيعية مع عدم وجود أسماك مفترسة طبيعية (فوستر وآخرون ، 1988). الأولي F2 تراوح حجم الأسرة من 62 إلى 98 سمكة في سلالات باكستون ومن 41 إلى 140 سمكة في سلالات مكاي.

بدأت التجربة الأولى في 1 يونيو 2006 وآخر تجربة في 11 سبتمبر 2006. كل يومين ، تم إحصاء العدد المتبقي من شوكة الشوكة والحشرات المفترسة في كل حاوية بعد إحداث إزعاج طفيف للنباتات الاصطناعية وجوانب السياج. تم استبدال أي مفترسات وجدت في عداد المفقودين في كل تعداد. تم إيقاف التجارب عندما تم العثور على ما يقرب من 50 ٪ من أسماك أبو شوكة التي تم إدخالها إلى علاج الافتراس في عداد المفقودين. كان متوسط ​​مدة التجربة تسعة أيام ، لكنها تراوحت من ستة إلى 11. في نهاية كل تجربة ، تعرض الأفراد من كلا العلاجين لتركيز مميت من تريكين ميثان سلفونات (MS-222 ، مختبرات سيندل المحدودة ، كواليكوم بيتش ، كولومبيا البريطانية ، كندا) ، محفوظ في 95٪ من الإيثانول ، وإعادته إلى المختبر.

تمت إزالة الزعنفة الذيلية لكل فرد ، ووضعها في أنبوب الطرد المركزي المسمى 1.5 ميكرولتر ، وحفظها في 95 ٪ من الإيثانول للتحليل الجيني. تم وضع الجسم المتبقي لكل فرد في أنبوب الطرد المركزي المسمى 1.5 ميكرولتر ثم تم تثبيته في 10٪ فورمالين لمدة أسبوعين. ثم قمت بعد ذلك بتلطيخ جميع العناصر العظمية باستخدام Alizarin red ، وبعد ذلك قمت بحفظ كل فرد على حدة في 40 ٪ من كحول الأيزوبروبيل استعدادًا للتحليل المورفولوجي.

تم تصوير كل فرد ملطخ باستخدام كاميرا Nikon DH1 الرقمية. تم إجراء القياسات المورفولوجية على ملفات JPEG الرقمية باستخدام ImageJ الإصدار 1.37 (Rasband 2007). لقد قمت بقياس خمس سمات (الشكل 2): الطول القياسي ، وطول العمود الفقري الظهري الأمامي ، وطول العمود الفقري الظهري الثاني ، وطول العمود الفقري الحوضي ، وطول حزام الحوض ، وعدت عدد الصفائح الجانبية. في شوكة الشوكة ثلاثية الشوكة ، لا يتم تحديد العدد الإجمالي للصفائح الجانبية حتى تصبح الأسماك بالغة ، حوالي 30 ملم في الطول القياسي (Bell 2001 Igarashi 1970). جميع الأحداث التي تم إدخالها إلى العبوات قبل بدء التجارب تشبه شكل اللوحة المنخفضة ولا يمكن حل شكل اللوحة الجانبية من عدد الصفائح بعد انتهاء التجربة. بدلاً من ذلك ، قمت بوضع نمط وراثي لواسم جزيئي تشخيصي لتشكيل الصفيحة الجانبية (Colosimo وآخرون 2005) لتحديد النمط الظاهري للصفائح الجانبية للأفراد.

التحليل الجيني للجين ECTODYSPLASIN

لقد عزلت الحمض النووي الجيني الكلي من مقاطع الزعنفة الذيلية لجميع خطوط باكستون الستة2 العائلات التي تستخدم طرق استخراج الفينول والكلوروفورم القياسية. في / del locus ، Stn381 ، داخل intron ستة من إيكتوديسبلاسين تم استخدام الجين (Colosimo et al. 2005) لتحديد النمط الجيني المقابل للنمط الظاهري للصفائح الجانبية لـ F2 الأحداث. إكتوديسبلاسين تم تضخيم الأليلات في 10 ميكرولتر من تفاعلات PCR التي تحتوي على 5-15 نانوغرام من الحمض النووي الجيني ، و 1 ميكرومتر من كل تمهيدي أمامي وعكسي ، ومخزن PCR 1X ، و 0.25 - 0.125 ملي مولار من كل dNTP ، و 1.5 ملي مولار MgCl2، و 0.25U AmpliTaq polymerase (النظم البيولوجية التطبيقية ، فوستر سيتي ، كاليفورنيا). كانت ظروف ركوب الدراجات على النحو التالي: 93 درجة مئوية لمدة 3 دقائق ، 95 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 59 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 72 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 5 دورات من 94 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 59 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 72 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 35 دورة 90 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 72 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، تليها 72 درجة مئوية لمدة 10 دقائق ، ثم تبريدها إلى 4 درجات مئوية. تم فصل منتجات PCR المضخمة عن طريق الرحلان الكهربائي للهلام على جهاز التسلسل الآلي ABI 3733 باستخدام معيار الحجم GS500 (النظم البيولوجية التطبيقية) ومورف منخفض للمياه العذبة إيدا إل والبحرية الكاملة تتحول إيدا سي تم تسجيل الأليلات باستخدام برنامج GENEMAPPER (النظم البيولوجية التطبيقية).

تحاليل احصائية

يقترن ر- تم إجراء الاختبارات بشكل منفصل لخطوط Paxton و McKay ، وبشكل منفصل لكل سمة ، باستخدام العائلة كنسخة لتحديد أهمية فروق الاختيار (الاختلافات في الوسائل بين العلاجات). نظرًا لأن أطوال العمود الفقري والحزام تنمو مع حجم الجسم ، فقد قمت بتصحيح هذه السمات للحجم باستخدام بقايا من انحدارات المربعات الصغرى العادية لكل سمة على الطول القياسي. الطول القياسي ، المسافة من طرف الخطم إلى نهاية العمود الفقري ، يرتبط ارتباطًا وثيقًا ويعمل كمقياس شائع لحجم الجسم في الأسماك (Baumgartner وآخرون ، 1988). تم إجراء الانحدار بشكل منفصل على كل عائلة من خلال الجمع بين الأسماك من كلا العلاجين.

لتحليل خط باكستون F2 عبر ، أزلت الأفراد الذين فقدوا حزام الحوض والأشواك من مجموعات البيانات قبل حساب الانحدار داخل الأسرة لحزام الحوض والعمود الفقري الحوضي على الطول القياسي. تم إجراء تحليل منفصل لتأثير افتراس الحشرات المائية على بقاء الأسماك مع حزام الحوض وبدونه باستخدام أزواج. ر-اختبار بين العلاجات على الاختلاف في نسبة الأفراد الذين ليس لديهم حزام حوضي في نهاية التجربة.

تأثير افتراس الحشرات المائية على إيدا تم تحليل تردد الأليل في عائلات خط باكستون باستخدام زوج ر- اختبار على الفرق بين المعالجات في نسبة المياه العذبة المنخفضة مورف إيدا إل أليل (Δص) حاضر في نهاية المحاكمة. بسبب الربط ، أي تغيير في وتيرة إيدا قد يكون بسبب الاختيار مباشرة على إيدا، أو للانتقاء على السمات ذات الجينات القريبة إيدا على نفس الكروموسوم. لقد فحصت العلاقة بين إيدا النمط الجيني والسمات التي سبق إظهار ارتباطها بـ إيدا المنطقة: عدد الصفائح الجانبية ، وطول العمود الفقري الظهري الأمامي ، وطول العمود الفقري الحوضي (Colosimo وآخرون ، 2004 S. M. Rogers ، unpubl. ms. Shapiro et al. ، 2004). العلاقة بين إيدا ورقم اللوحة الجانبي المصحح بالحجم والعمود الفقري الظهري الأمامي وطول العمود الفقري الحوضي تم اختباره باستخدام تحليل نموذج مختلط للتغاير (تأثير ANCOVA الثابت: إيدا التركيب الوراثي ، التأثير العشوائي: الأسرة ، المتغير التابع: كل سمة من سمات الدرع). في التحليلات ، إيدا تم التعامل مع النمط الجيني كمتغير رقمي بناءً على عدد التشكل المنخفض إيدا إل الأليلات موجودة (0 ، 1 ، أو 2). بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لاختلاف أشكال الصفائح الجانبية المنخفضة والكاملة في معدل النمو في المياه العذبة (Marchinko و Schluter 2007) ، فقد اختبرت أيضًا وربطت بين إيدا التركيب الوراثي وحجم الجسم (الطول القياسي) ، باستخدام نموذج مختلط مماثل ANCOVA. لاحظ أنه بسبب التحديد على إيدا في علاج المفترس يمكن أن يؤدي إلى تحيز الارتباط إيدا النمط الجيني مع الصفات المورفولوجية ، لقد استخدمت فقط الأسماك من علاجات التحكم (بدون مفترس) في هذه الاختبارات.

بسبب الاتجاه المحدد للنتائج المتوقعة ، فإن مستوى أهمية ر- استندت الاختبارات إلى احتمالات وحيدة الطرف. ومع ذلك ، فقد أبلغت عن جميع الاختبارات التي تختلف فيها الدلالة الإحصائية للاختبارات أحادية الطرف وثنائية الذيل. تم تحويل جميع بيانات النسب إلى الجذر التربيعي القوسي قبل التحليل. تم إجراء جميع التحليلات باستخدام R (مؤسسة R للحوسبة الإحصائية ، فيينا ، النمسا. http://www.R-project.org).


GWAS لخمسة أمراض نسائية وتحليل عبر السمات باللغة اليابانية

أجرينا دراسات الارتباط على مستوى الجينوم لخمسة أمراض نسائية باستخدام بيانات 46837 شخصًا (5236 ورمًا ليفيًا رحميًا ، و 645 بطانة الرحم ، و 647 سرطانًا مبيضًا (OC) ، و 909 سرطان بطانة الرحم (UEC) ، و 538 حالة سرطان عنق الرحم (UCC) مما يسمح بالتداخل ، و 39556 عنصر تحكم نسائي مشترك) من مشروع Biobank Japan Project. استخدمنا لوحة مرجعية التضمين الخاصة بالسكان (ن = 3541) ، مما أسفر عن 7،645،193 متغيرًا محسوبًا. حددت التحليلات التي تم إجراؤها وفقًا للنموذج اللوجستي والنموذج الخطي المختلط والنموذج الذي يتضمن الارتباطات تسعة ارتباطات مهمة مع ثلاثة أمراض نسائية بما في ذلك أربع نتائج جديدة (rs79219469: C & gt T ، LINC02183 ، P = 3.3 × 10 -8 و rs567534295: C & GT T ، BRCA1 ، P = 3.1 × 10 -8 مع OC ، rs150806792: C & GT T ، INS-IGF2 ، P = 4.9 × 10 -8 و rs140991990: A & gt G ، SOX9 ، P = 3.3 × 10 -8 مع UCC). اقترح التحليل التلوي للتأثير العشوائي لتصحيح GWASs الخمسة للموضوعات المتداخلة موقعًا جديدًا مشتركًا للمخاطر (rs937380553: A & gt G ، LOC730100 ، P = 2.0 × 10 -8). حدد تحليل الانحدار العكسي ثلاث ارتباطات جديدة إضافية (rs73494486: C & gt T ، GABBR2 ، P = 4.8 × 10 -8 ، rs145152209: A & gt G ، SH3GL3 / BNC1 ، P = 3.3 × 10 -8 ، و rs147427629: G & gt A ، LOC107985484، P = 3.8 × 10 -8). تراوحت درجة التوريث المقدرة من 0.026 لـ OC إلى 0.220 في الانتباذ البطاني الرحمي. كانت الارتباطات الجينية قوية نسبيًا بين OC و UEC ، الانتباذ البطاني الرحمي و OC ، والورم الليفي الرحمي و OC (ص.ز & gt 0.79) مقارنة بالارتباطات الضعيفة نسبيًا بين UCC والأربعة الأخرى (rز = -0.08

0.25). لقد حددنا بنجاح الارتباطات الجينية مع أمراض الجهاز التناسلي للمرأة في اليابانيين. قد تساعد التأثيرات الجينية المشتركة بين الأمراض المتعددة ذات الصلة في فهم الفيزيولوجيا المرضية.

بيان تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم تضارب في المصالح.

الأرقام

مؤامرات مانهاتن الخمسة ...

مؤامرات مانهاتن من خمسة GWASs للأمراض النسائية. مؤامرات مانهاتن من ...

مؤامرات مانهاتن للتحليل التلوي لـ ...

مخططات مانهاتن للتحليل التلوي لـ GWASs الخمسة لأمراض النساء. مؤامرات مانهاتن ...

تقييم عبر السمات للارتباط الجيني ...

تقييم عبر السمات للارتباط الجيني بين خمسة أمراض نسائية. الارتباطات الجينية بين خمسة ...


منهج التخطيط

اتصالات معايير الدولة الأساسية المشتركة

ELA / محو الأمية

  • RST.11-12.1 - الاستشهاد بأدلة نصية محددة لدعم تحليل النصوص العلمية والتقنية ، مع مراعاة الفروق المهمة التي يقوم بها المؤلف وأي ثغرات أو تناقضات في الحساب. (HS-LS3-1) ، (HS-LS3-2)
  • RST.11-12.9 - تجميع المعلومات من مجموعة من المصادر (مثل النصوص والتجارب والمحاكاة) في فهم متماسك لعملية أو ظاهرة أو مفهوم ، لحل المعلومات المتضاربة عندما يكون ذلك ممكنًا. (HS-LS3-1)
  • WHST.9-12.1 - اكتب حججًا تركز على محتوى خاص بالأنضباط. (HS-LS3-2)

الرياضيات

نموذج تخطيط الدورة

الزوار لأول مرة


شكر وتقدير

نشكر S. Rogers و L. Harmon و R. Barrett و K. Marchinko و J. Weir و M. Whitlock ومجموعة SOWD على المناقشات المفيدة حول تحليل البيانات وتنظيمها. نشكر أيضًا J. Kelly و M. Noor والمراجع المجهول على التعليقات القيمة على المخطوطة. تم دعم هذا العمل جزئيًا من خلال منحة مركز التميز في علوم الجينوم من المعاهد الوطنية للصحة (1P50HG02568 DMK) ، ومجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC) (DS) ، ومؤسسة كندا للابتكار (DS). ). تم دعم AA من خلال منحة NSERC للدراسات العليا ، والتلفزيون من قبل زمالة ماري كوري الدولية الخارجة ، وبكالوريوس من زمالة ما قبل الدكتوراه من مؤسسة العلوم الوطنية ، و CM من خلال زمالة Jane Coffin Childs لما بعد الدكتوراه. DS هو رئيس أبحاث كندا ، و DMK محقق في معهد هوارد هيوز الطبي.

الشكل S1. خريطة الارتباط المستخدمة في رسم خرائط QTL. يتوافق عدد مجموعات الارتباط (LG) مع عدد الكروموسومات المعروفة في الشوكة (21).

الشكل S2. تقييم تأثير بيفيس باستخدام الحذاء. تشير كل نقطة إلى حجم التأثير "الحقيقي" وإعادة تقدير حجم QTL واحد بشكل عشوائي على خريطة الربط. الخط المتقطع هو ص & يساوي X. الخط الصلب هو انحدار التأثيرات المعاد تقديرها على التأثيرات الحقيقية (ص & يساوي 0.026 & زائد 0.92X، مع SE للاعتراض والمنحدر 0.004 و 0.019 على التوالي). إن المبالغة الطفيفة في تقدير أحجام تأثير QTL المكتشفة ذات التأثير الصغير تمثل تأثير بيفيس.

الشكل S3. تقدير الاحتمالية لاكتشاف QTL مع حجم التأثير. تشير الرموز إلى ما إذا تم اكتشاف QTL بحجم التأثير المحدد لاحقًا (1) أم لا (0). درجة الاكتشاف متقطعة لتقليل تداخل النقاط. المنحنى هو أفضل انحدار لوجستي. ن & يساوي 500.

الجدول S1. QTL من رسم خرائط MQM لجميع إحداثيات المعالم البالغ عددها 54. التأثيرات المميزة بعلامة (-) للإحداثيات المرتبطة بحزام الحوض ، وهو غائب في قاع باكستون.

يرجى ملاحظة ما يلي: Blackwell Publishing ليست مسؤولة عن محتوى أو وظائف أي مواد تكميلية يوفرها المؤلفون. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المواد المفقودة) إلى المؤلف المقابل للمقال.

اسم الملف وصف
EVO_259_sm_FigureS1.eps 98.8 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_259_sm_FigureS2.eps106.8 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_259_sm_FigureS3.eps106.6 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_259_sm_TableS1.doc93.5 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_figures1.eps98.8 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_figures2.eps106.8 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_figures3.eps106.6 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات
EVO_tables1.doc93.5 كيلوبايت دعم عنصر المعلومات

يرجى ملاحظة ما يلي: الناشر غير مسؤول عن محتوى أو وظيفة أي معلومات داعمة مقدمة من المؤلفين. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المحتوى المفقود) إلى المؤلف المقابل للمقالة.


التحليل الجيني التطوري الجزيئي والتعداد السكاني لشوكة الشوكة ذات التسعة أشواك باستخدام نهج علامة الحمض النووي المرتبط بموقع التقييد المعدل

في السنوات الأخيرة ، أتاح انفجار تكنولوجيا تسلسل الجيل التالي بأسعار معقولة فرصة غير مسبوقة لإجراء دراسات على مستوى الجينوم للتطور التكيفي في الكائنات الحية التي كانت تفتقر سابقًا إلى موارد جينومية واسعة النطاق. هنا ، نميز أنماط التباين والتمايز على مستوى الجينوم باستخدام الحمض النووي المجمع من ثماني مجموعات من الشوكة ذات التسعة أشواك (Pungitius pungitius L.) من البيئات البحرية والبحيرات والبرك. لقد طورنا بروتوكولًا جديدًا للحد من تعقيد الجينوم ، يُعرّف على أنه الحمض النووي المرتبط بالموقع المزدوج (PE dRAD) ، لزيادة تغطية القراءة في المواقع المتسلسلة. سمح لنا ذلك بتحديد أكثر من 114000 تسلسل إجماعي قصير و 15000 تعدد الأشكال في جميع أنحاء الجينوم. تم تعيين ما مجموعه 6834 SNPs في موضع واحد على جينوم أبو شوكة ثلاثي الأشواك ذي الصلة ، مما يسمح باكتشاف المناطق الجينومية المتأثرة بالاختيار المتباين والمتوازن ، سواء بين الأنواع أو بين مجموعات المياه العذبة والبحرية من الشوكة ذات التسعة أشواك. كشف تحليل الأنطولوجيا الجينية عن 15 منطقة جينومية ذات تنوع مرتفع ، ومخصبة للجينات المشاركة في الوظائف بما في ذلك المناعة ، واستجابة التحفيز الكيميائي ، واستقلاب الدهون ، ومسارات الإشارات. حددت المقارنات بين مجموعات المياه البحرية والمياه العذبة تسع مناطق ذات تمايز مرتفع يتعلق بتطور الكلى والمناعة ومسارات كيناز MAP. بالإضافة إلى ذلك ، كشف تحليلنا أن نسبة كبيرة من تعيينات تعدد الأشكال المحددة لـ LG XII من المحتمل أن تمثل أليلات بديلة من الكروموسومات X و Y المتباعدة ، بدلاً من العلامات الجسدية الحقيقية التي تتبع الفصل المندلي. يوضح عملنا كيف يمكن للتسلسل على مستوى السكان والجمع بين تحليل RAD الداخلي وداخل التحديد أن يكشف عن أنماط التمايز والتكيفات على مستوى الجينوم في الأنواع غير النموذجية.


مقدمة

التركيب الجيني للسكان المعاصرين هو نتيجة لكل من العمليات البيئية والتطورية التاريخية والحالية. غالبًا ما تكون الموائل غير مستقرة على مدى الفترات الزمنية التطورية ، ومع تغير البيئات ، تتكيف الكائنات الحية أو تموت أو تتشتت. خلال العصر الجليدي الأخير ، كان يتعذر الوصول إلى الكثير من موائل المياه العذبة في أمريكا الشمالية وأوراسيا بسبب وجود صفيحة جليدية واسعة (كانت آخر قمة جليدية

منذ 18000 سنة (كلارك وآخرون 2009)). مع انحسار الجليد ، أصبحت موائل المياه العذبة الجديدة سهلة الوصول واستعمرتها الأسماك وكائنات المياه العذبة الأخرى التي امتدت من الملاجئ الجليدية ، إما من خلال ممرات الهجرة (الأنهار والبحيرات) أو من خلال التشتت الساحلي (Lindsey and McPhail 1986 ، 1986). هذا التشتت الساحلي هو أيضًا عملية معاصرة في بعض المناطق (Milner and York 2001 Milner et al. 2008). ينتشر التشتت عبر المياه البحرية بشكل خاص للأسماك الشاذة وذات القدرة على الملوحة ، مثل السلمون (Oncorhynchus, سالمو، و سالفلينوس spp.) (Hendry et al. 2004) و threespine stickleback ، Gasterosteus aculeatus.

غزت شوكة الشوكة ثلاثية الشوكات (يشار إليها فيما بعد بشوكة الشوكة) العديد من الموائل الشابة في فترة ما بعد الجليدية من خلال التشتت الساحلي (Bell and Foster 1994 Klepaker 1995 Von Hippel and Weigner 2004) وهي موجودة اليوم في مجموعة متنوعة من البيئات البحرية والمياه المالحة والعذبة (Wootton 1976 Bell و فوستر 1994). بعد غزو المياه العذبة ، تباعدوا في العديد من السمات المظهرية مقارنة بالنمط البيئي البحري للأجداد (Bell 1977 Klepaker 1993 McKinnon and Rundle 2002) ، مما يجعله نوعًا نموذجيًا في علم الأحياء التطوري. إحدى السمات المظهرية التي تختلف بشكل شائع بين أسماك أبو شوكة البحرية والمياه العذبة هي أن شوكة أبو شوكة بحجم الجسم تميل إلى أن تكون أكبر من تلك الموجودة في المياه العذبة (McPhail 1994) ، وربما تكون ناتجة عن مجموعة من العوامل البيئية والجينية (جونز وآخرون ، 2012). يبدو أن حجم الجسم هو سمة مهمة لاختيار رفيقة أبو شوكة (McKinnon et al. 2004 Conte and Schluter 2012) ، والتي من المحتمل أن تعمل كحاجز ما قبل الانجذاب لتدفق الجينات بين أسماك المياه البحرية وأسماك المياه العذبة. هناك سمة أخرى متباينة موصوفة جيدًا في أبو شوكة وهي عدد الصفائح الجانبية وموقعها ، والتي تختلف داخل السكان وفيما بينهم (Hagen 1967 Narver 1969 Hagen and Gilbertson 1972 Hagen and Moodie 1982 Klepaker 1996). على أساس موقع الصفائح ، يمكن تعيين شوكة الشوكة في واحد من ثلاثة أشكال متعارف عليها: أشكال كاملة وجزئية ومنخفضة الصفائح (Wootton 1976). توجد أشكال الصفيحة الجانبية المختلفة عادةً في بيئات ملوحة مختلفة ، حيث ترتبط الأشكال الكاملة والجزئية والمنخفضة بالملوحة العالية والمتوسطة والمنخفضة ، على التوالي (Heuts 1947 Münzing 1963 Wootton 1976). تشير النتائج الحديثة إلى أن الفقد المتكرر للألواح الجانبية عبر مجموعات المياه العذبة المختلفة قد حدث كنتيجة للانتقاء الاتجاهي الموازي في موضع رئيسي واحد ، إيكتوديسبلاسين (إيدا) (Colosimo et al. 2005) ، حيث إن متغيرات الأليل لهذا الجين مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتشكيلات الصفيحة الجانبية (Colosimo et al. 2005 Le Rouzic et al. 2011 Jones et al. 2012).

في هذه الدراسة ، قمنا بالتحقيق في تدفق الجينات بين مجموعات شوكة الشوكة التي تسكن نظام نهر بحيرة-بحيرة في جنوب غرب ألاسكا (الشكل 1). يعد التنقل بين البيئات المختلفة في الملوحة أمرًا مكلفًا من الناحية الفسيولوجية ، وبالتالي يمكن لتدرجات الملوحة أن تحد من تدفق الجينات في الأسماك (Moyle and Cech 1996). أظهرت الدراسات السابقة من هذا النظام أن شوكة الشوكة من البحيرة معتدلة الملوحة كانت أحادية الشكل بالنسبة للنور المطلي بالكامل ، في حين أن مواقع المياه العذبة تحتوي على جميع الأشكال الثلاثة للصفائح الجانبية. علاوة على ذلك ، اختلفت شوكة الشوكة المطلية بالكامل في البحيرة البحرية عن أسماك المياه العذبة من خلال وجود المزيد من الصفائح الجانبية والعارضة الأكثر تطورًا (Narver 1969). تم الإبلاغ أيضًا عن أن الأسماك الموجودة في البيئات المتعارضة لها تواريخ حياة مختلفة ، حيث نضج سكان البحيرة في سن عام واحد وتكاثروا فيها. زوستيرا (عشب ثعبان البحر) في المياه قليلة الملوحة وفي الأجزاء السفلية من موائل المياه العذبة ، بينما يتم تربية أسماك المياه العذبة في موائل المياه العذبة في سن الثانية (Narver 1969). من الواضح أن كل هذه الأسماك تموت بعد التزاوج حيث لم يتم تسجيل فئات عمرية أقدم لأي من العشائر (Narver 1969). وقد لوحظت هجرات مكثفة في الربيع بين البحيرات (Narver 1969 Harvey et al. 1997) ، مما يشير إلى عدم وجود حواجز مادية أمام الهجرة وبالتالي إمكانية تدفق الجينات بين البيئات المختلفة. في هذا النظام ، يمكن أن تكون الاختلافات في التشكل وتاريخ الحياة قد تطورت بسبب انخفاض تدفق الجينات ، بالاقتران مع تكيفات مختلفة للبيئات البيئية حيث يمكن أن يؤدي الانتقاء الطبيعي إلى اختلافات نمطية ووراثية بين السكان (Schluter 2000 ، 2009 Nosil 2012). بدلاً من ذلك ، يمكن أن يكون هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة مع بعض الأفراد الذين يهاجرون بين الموائل ، والتباين في إمكانات النمو (من المحتمل أن يكون أعلى في بيئات المياه العذبة من البيئة البحرية) والافتراس الانتقائي على تحولات الصفائح المنخفضة في المياه البحرية مما يتسبب في الاختلافات الملحوظة في حجم الجسم و شكل.

كانت الأهداف الرئيسية لهذه الدراسة هي (1) فحص التركيب السكاني الجيني وسلامتها داخل نظام الدراسة (أي تحديد عدد المجموعات السكانية المتميزة وتحديد الهجينة المحتملة) و (2) تحديد مدى اختلاف الحجم والشكل بين الأسماك من موائل المياه معتدلة الملوحة والمياه العذبة. فحصنا 14 واسمًا للأقمار الصناعية الصغيرة المحايدة واختبرنا العلاقات الجينية في الأسماك التي تم أخذ عينات منها في أربعة مواقع مختلفة - بحيرة مياه معتدلة الملوحة ونهر وبحيرتين في نظام Chignik في ألاسكا (الشكل 1). بعد ذلك ، قمنا باختبار الاختلافات المظهرية في شكل الجسم بين المجموعات المكتشفة بناءً على 30 معلمًا رقميًا. كشفت تحليلاتنا عن كل من المهاجرين والهجين بين مجموعتين وراثيتين محددتين جيدًا ، وبالتالي كان من المثير للاهتمام بشكل خاص اختبار الاختلافات المورفولوجية بين هؤلاء الأفراد والأفراد المقيمين وغير الهجينين من موائل المياه العذبة والبحيرات.


شكر وتقدير

نشكر C. Harrison و T. Rodbumrung و T. Ingram للمساعدة في العمل الميداني. ساعد J. Day في جمع بيانات الطفيليات. قدم R. Grunberg تعليقات قيمة على المخطوطة. تم دعم البحث من قبل مؤسسة ديفيد ولوسيل باكارد ، وجائزة عالم التوظيف المبكر لمعهد هوارد هيوز الطبي ، ومؤسسة العلوم الوطنية (NSF DEB-1144773) ، والمعاهد الوطنية للصحة (1R01AI123659-01A1) إلى بنك دبي الإسلامي ، وخريج NSF الزمالة البحثية لـ EJR. دانيال آي بولنيك ، وإملين جيه. Resetarits هم أول مؤلفين مشاركين على قدم المساواة.

اسم الملف وصف
ecy3181-sup-0001-AppendixS1.pdf مستند PDF ، 3.8 ميجا بايت الملحق S1
ecy3181-sup-0002-DataS1.zipZip أرشيف 41 ميجا بايت البيانات S1
ecy3181-sup-0003-DataS2.zipZip أرشيف ، 1.8 كيلوبايت البيانات S2
وثيقة ecy3181-sup-0004-MetadataS1.pdfPDF ، 193.9 كيلوبايت البيانات الوصفية S1
ecy3181-sup-0005-MetadataS2.pdf مستند PDF ، 138.9 كيلوبايت البيانات الوصفية S2

يرجى ملاحظة ما يلي: الناشر غير مسؤول عن محتوى أو وظيفة أي معلومات داعمة مقدمة من المؤلفين. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المحتوى المفقود) إلى المؤلف المقابل للمقالة.


مناقشة

تتضمن أهم نتائج هذه الدراسة تحديد العديد من QTL ذات التأثير الكبير إلى حد ما للسمات المظهرية ذات الأهمية البيئية والتطورية والنظامية. ومن ثم ، يمكن للنتائج أن تعزز فهمنا للجينات وتطور السمات ذات الأهمية التكيفية والمنهجية الرئيسية. علاوة على ذلك ، من خلال تحديد ثلاثة QTL جديدة (موجودة في LG8 و LG20 و LG21 على التوالي) مرتبطة بالتباين في أرقام اللوحات الجانبية التي تختلف عن تلك التي تم اكتشافها في الدراسة السابقة لهذا 58 والأنواع ذات الصلة 23 ، 24 ، تشير النتائج إلى أساس جينومي غير متجانس لـ وهي سمة ذات أهمية تطورية ومنهجية كبيرة. رقم اللوحة الجانبي هو سمة تشخيصية مهمة في التصنيف والنظاميات في الجنس بونغيتيوس 59،60 ، وبالتالي ، فإن النتائج التي توصلنا إليها ذات صلة بتحديد فائدة هذه السمة للاستدلال المنهجي. بصرف النظر عن هذه النتائج والاعتبارات ، تعمل النتائج على توضيح الاحتمالات والتحديات المرتبطة برسم خرائط QTL مع عدد كبير من العلامات التي تم إنشاؤها بواسطة RAD-seq. في الفقرات التالية ، سنناقش كل نقطة من النقاط المذكورة أعلاه في ضوء النتائج التي توصلنا إليها والقضايا ذات الصلة.

اقترحت دراسة سابقة للتباعد المورفومتري بين الأحواض المائية والبحرية ذات الشوكة التسعة الأشواك - بما في ذلك المجموعتان المستخدمتان في هذه الدراسة - أن هذا الاختلاف له أساس وراثي 31. من بين أشياء أخرى ، فإن الشوكة الشوكية البحرية ذات تسعة أشواك لها سيقان ذيلية أضيق وأطول من أسماك البركة. ترتبط السويقة الذيلية بأداء المناورة والحركة في الأسماك 61،62،63. تزيد الدعامة المستطيلة من السعات اللازمة لدفع الزعنفة الذيلية وتسمح بالتحكم في زاوية هجوم الزعنفة الذيلية 64،65 ، ومن المحتمل أن تتكيف مع الأسماك التي تتحرك في بيئات المياه المفتوحة وتحت مخاطر الافتراس العالية. هناك أيضًا نشاط كبير في السويقة الذيلية عندما تغير السمكة اتجاه حركتها 65. هنا ، حددنا QTL مهمًا على LG15 لاختلاف طول السويقة بين المجموعات البحرية والبركة ، مما يشير إلى أن الأليل من التجمعات البحرية يساهم في استطالة السويقة الذيلية. تشير النتائج إلى أن QTL المكتشف قد يوفر نقطة انطلاق لفك تشفير الأسس الجينية والآليات الجزيئية للتباعد التكيفي في طول السويقة الذيلية في أبو شوكة. بالنظر إلى أن قوة الانتقاء بوساطة المفترس على طول السويقة الذيلية يمكن قياسها بسهولة في إعدادات الكون المتوسط ​​في الشباك الصغيرة 66 ، فإن اكتشاف تأثير QTL الكبير إلى حد ما في طول السويقة الذيلية قد يوفر أيضًا فرصة لدراسة ديناميات التباين الجيني في QTL تحت الاتجاه. اختيار.

حظي التباين في عدد لوحات الدروع الجانبية في أسماك أبو شوكة باهتمام كبير لسببين على الأقل. First, being a conspicuous, variable and easily studied trait, variation in plate numbers has been used as a diagnostic trait in stickleback systematics 59,60 . Second, at least in the three-spined stickleback, the adaptive value of variation in lateral plate numbers is fairly well understood 67 , and several studies have demonstrated the adaptive nature of temporal 68,69 and spatial 24,70,71,72 variation in plate numbers. While the genetic basis of lateral plate number variation in the three-spined stickleback is controlled by a major QTL in the locus close to the Eda-gene, together with several minor QTL 24,57 , different large effect QTL have been identified to control variation in lateral plate numbers in North American nine-spined sticklebacks 58 . In this study, we detected two large QTL (located on LG20 and LG21) for lateral plate numbers, which were different from those discovered in North American nine-spined sticklebacks (Table 2). None of the genes located near these two QTL are involved in the Eda-pathway (cytokine-cytokine receptor interaction pathway) according to current gene annotation information, suggesting that the genetic mechanisms controlling for lateral plate variation may be even more variable than previously anticipated. To this end, our findings give support to the view that similar morphological changes might be commonly achievable through different QTL and/or genetic pathways 73,74 , albeit more interpopulation crosses and families would be needed to verify such a conclusion.

If the genetic basis of variation in armor traits in sticklebacks frequently differs from one population and species to another, and is subject to recurrent losses and gains over short evolutionary time scales 69 , lateral plate phenotypes may carry little information about systematic relationships among different taxa. Hence, the application of this trait in بونغيتيوس systematics (see: ref. 60 for a review) may not be warranted. We also note the QTL on LG8 that influences variation in lateral plate numbers on the left side of the body was near to the QTL region influencing body shape (Figs 3 and 5). Earlier quantitative genetic 30 and QTL-mapping studies 13,27 have observed genetic links between shape and armor traits. Such results might help to explain why body shape differentiation in sticklebacks is often accompanied by plate number differentiation during evolutionary adaptation to freshwater environments.

In this study, we identified ten significant QTL contributing to divergence in body shape, and an additional 12 QTL contributing to variation in anatomical morphological traits and lateral plate number. All of the detected QTL had fairly large PVE values (average PVE = 8.48%) and some can be considered as large effect QTL (PVE > 10%) according to conventional standards 75,76,77 . A notable feature of our results is that for most traits–with the exception of PC3 and lateral plate numbers–only one single QTL was detected for each trait. While such results could be interpreted to suggest that single genes with large effects, rather than many genes with small effects, contribute to the observed phenotypic variability, such a conclusion may not be warranted from our data. Namely, the possibility that many genes with small effects contribute to the shape variation cannot be dismissed, as QTL studies are biased towards detecting QTL with large effects 78,79 . For instance, although we used a large number of markers, the modest size of our experiment in terms of number of F2-progeny (from a single family) may not have allowed the detection of many small effect QTL 80,81 . Furthermore, our decision to use stringent genome-wide significance as a criterion for calling QTL lead to the exclusion of many (n = 95) QTL which reached significance only at a chromosome-wide level. We believe that their exclusion from further considerations was justified given the statistical, and thereby also biological, uncertainty associated with them. It should also be pointed out that variation in shape is a cumulative effect of variation in multiple principal components, and hence of multiple QTL, even if variation along each individual principal component axis would be coded by a single or few QTL. Considering all these points, our results are not at odds with the view that complex morphological traits, such as shape, are likely to often have a polygenic basis 82,83,84 .

Previous studies have shown that different aspects of shape and morphology, such as lateral plate numbers, have evolved in similar directions in different freshwater populations of sticklebacks 11,13,31,58,85 . Such parallel evolution of trait complexes would not be likely if there were strong antagonistic genetic correlations among traits selected to change in a parallel fashion. However, quantitative genetic studies of sticklebacks suggest positive genetic correlations among, for instance, lateral plate numbers and several shape traits 30 . The ultimate source of these genetic correlations is pleiotropy and physical linkage among loci influencing variation in different traits. In this study, we found that one QTL region on LG7 (6.79–6.98 cM) affected two (by definition independent) principal component scores (PC6 and PC11 Table 1). This observation suggests that the same genes or genetic regions can control different components of shape variation, a characteristic that might facilitate rapid population divergence in shape. Likewise, a short genomic region on LG20 (46.61–53.97 cM) was associated with variance in both lateral plate numbers and snout length, indicating that the same genetic factor(s) may govern (part of) the variability in these two traits. However, whether a single pleiotropic gene or multiple linked genes control variation in both traits cannot be assessed from our data. The same applies to the interpretation of QTL for each individual PC-axis: since the shape variation captured by each PC-axis captures variance in multiple landmark coordinate positions, a QTL for a given PC-axis can be inferred to have pleiotropic effects on multiple landmark positions.

For all of the 22 QTL we detected, the precision of the QTL locations were very accurate, as judged from the narrow confidence intervals around the QTL positions. This high precision is also apparent if we compare the average width of the confidence region in this study with those of the earlier QTL studies of sticklebacks (Supplementary Fig. 4). The high precision of the QTL regions in this study is likely due to the higher density of markers than any of the earlier studies, as well as the fine-mapping approach, which narrowed the confidence intervals for the QTL positions (compare CIs in Table 1 and Supplementary Table 4). Interestingly, the high precision of QTL locations allowed us to discover that most (21/22) of the QTL were located in non-genic regions. We can identify three possible explanations for this. First, it could be that the RAD-seq method is biased towards finding polymorphic SNPs adjacent to genes rather than within. For instance, if there are more restriction sites outside than within genic regions, this would lead to a bias in detecting more non-genic than genic QTL. However, comparing the distribution of restrictions sites in the three-spined stickleback genome does not suggest such a bias: the number of PstI restriction sites on a given chromosome was significantly correlated with chromosome length (صس > 0.98, ص < 1.71 × 10 −16 ), and about 63% of the restriction sites were located in the genic regions. Second, genic regions of a genome are known to evolve under more stringent constraints than non-genic ones 86,87,88,89,90 , and therefore, the likelihood of detecting polymorphic SNPs outside of genes may be increased. A third and mutually nonexclusive possibility is that the variation associated with the detected QTL is not controlled by a sequence polymorphism within the genes, but in the regulatory regions outside of the genes. Our data do not allow us to disentangle these alternatives. However, given the increasing evidence for the importance of non-genic regulatory elements in controlling phenotypic variation 91,92,93 , it is possible that the majority of the detected QTL represent regulatory polymorphisms.

Most of the genes identified in each QTL region were classified into broad GO categories and pathways. Unfortunately, the exact function of most of these genes is poorly known. For instance, the QTL for PC6 and PC7 were mapped within the Ccdc90b gene, whose function is still uncharacterized. However, Meis homeobox 2a (Meis2a) and limb bud and heart homolog (Lbh) genes in the QTL region for PC1 are known to be primarily involved in the formation of the viscerocranium and craniofacial morphogenesis in zebrafish 94 and cichlid fish 95 , respectively. Similarly, Fgf receptor-like 1a (Fgfrl1a) gene in the QTL region for PC14 was found to be necessary for cartilage formation in zebrafish 96 . الجين Fxr1 in the QTL region for PC3 is an RNA binding protein that plays a critical role in eye development and cranial cartilage derived from cranial neural crest cells 97 . بالتالي، Meis2a, Lbh, Fgfrl1a, و Fxr1 might be involved in adaptive evolution of stickleback by contributing to the regulation of cranial shape. In addition, since bone morphogenetic protein 4 (Bmp4) in the QTL region for PC1 has been reported to play an important role in the formation of the dorsal-ventral pattern in zebrafish 98,99 , this gene might be responsible for shape variation in the nine-spined stickleback. Another gene, identified in the QTL region for lateral plate number variation, codes for tRNA methyltransferase 1 like (Trmt1l) protein and has a wide set of functions including metal ion and RNA binding. ال Trmt1l gene has been reported as a significant regulator in motor coordination and exploratory behavior in murine studies 100 . However, although associations between lateral plate number and behavioural variation in sticklebacks are known, it is not immediately obvious how and why variation in Trmt1l gene is associated with plate number variability in our cross. In addition, we found that the QTL associated with caudal peduncle length was located close to thioredoxin-related transmembrane protein 1 (Tmx1) gene. Unfortunately, little is known about the precise function of these two genes: Tmx1 gene is a member disulphide isomerase gene family regulating highly conserved enzyme-mediated disulphide bond formation affecting over one-third of all eukaryotic proteins 101 .

Most of the earlier QTL-mapping studies of sticklebacks have utilized low-density microsatellite marker-based linkage maps 13,17,23,27,28,58,71,102,103,104,105,106,107 . Here, we used a high-density SNP-based linkage map generated by RAD-seq technology, which allows genotyping a very large number of SNP markers for many individuals in a single step 40,47,48 . The RAD-seq approach has been utilized to construct linkage maps for QTL-mapping purposes in several other species 38,50,51,52,108,109 , including various teleost fishes 14,110,111,112,113,114,115,116 . However, most of these earlier studies have used a modest number of markers (range = 436–8,790 median = 2,011) compared to the linkage map used in our study. Using a high number of markers poses challenges for both linkage map construction and QTL mapping. As for the linkage map construction, many of the available software are not fully automated and require considerable user involvement in map construction (but see: e.g. ref. 56). As for QTL mapping, we used a two-stage approach (cf. coarse + fine mapping) to overcome the computational challenges associated with large marker numbers. Although this approach is not expected to improve neither the QTL detection power nor the proportion of explained phenotypic variance 54 , it allowed us to obtain narrow confidence intervals and hence increase the precision of QTL locations. This strategy in combination with the multiple QTL mapping approach allowed us to further filter out likely false QTL peaks detected by simple (univariate) interval mapping. In fact, the relatively low number of significant QTL reported in this study likely owes to the facts that (1) we reported only the QTL significant at the genome-wide level, and that (2) some of the QTL detected with interval mapping disappeared in multiple QTL mapping. However, given this stringent approach for QTL detection, we feel fairly confident that the QTL we reported are not only real, but also very precise.

We used Procrustes shape coordinates to map shape variability in our data. While these variables derived with geometric morphometric methods have many virtues 117 , they may be sensitive to distortions if alignment of individual subjects in the original photographs is not perfect. In fact, such distortions, known as “bending”, are common 13,29,30,31 and apparent also in our data in both PC2 and PC3. Yet, once used for mapping, several QTL were detected for both of these PCs. Since it is unlikely that such QTL would have been detected if the actual variation in landmark locations had been obfuscated by bending effects, we believe that the landmark coordinates we used were still biologically informative. However, even if the validity of mapping results for variation in PC2 and PC3 coordinates were questioned, bending is unlikely to have influenced variation in all (ten) anatomical morphometric traits that were also used in this study.

In conclusion, we mapped several large-effect QTL, with a fairly high-level of accuracy, to different linkage groups in the nine-spined stickleback genome using a large panel of SNP-markers. These QTL influence variation in morphological traits of ecological and evolutionary significance, and the documented effects of allelic substitution in the QTL loci we detected align with the expectations based on the divergence in trait means among pond and marine populations in the wild. Hence, the results have taken us one step farther towards identifying genomic regions underlying differentiation among nine-spined stickleback populations living in contrasting environments. Comparisons to previous QTL studies conducted in this and related stickleback species show that the large-effect QTL detected in this study do not correspond to those detected in previous studies. This suggests that adaption to similar selection pressures may have been acquired using different genetic mechanisms.


5. الاستنتاجات

The population genomics approach we used to examine parallel morphological adaptation of stream–lake stickleback allowed us to establish the independent origin of stream and giant lake stickleback, in three geographically proximate watersheds. The majority of genomic outlier regions identified through genome scans were watershed-specific. However, several were shared between watersheds, and interestingly, several of the stream–lake outliers match those previously identified in marine𠄿reshwater and benthic–limnetic comparisons. Further characterization of the shared regions we have identified will clarify whether the same genetic variants are found in all systems, or if the same loci have been altered in different ways. Our results are a first step to delve further into the search for genomic regions involved in morphological differentiation and reproductive isolation between stream and lake sticklebacks in this model system of ecological speciation. The large amount of standing genetic variation present in stickleback may distinguish this species from others that have undergone adaptive radiations, especially those originating from a small number of founders. However, the patterns of genetic changes observed in stickleback are likely to be mirrored in many other species undergoing rapid adaptation to new environments [43]. The divergences we have observed also emphasize the importance of ecological boundaries to differentiation in a broader context, especially since sharp gradients are probably just as widespread in terrestrial ecosystems.


شاهد الفيديو: تزاوج الثعابين HD (شهر نوفمبر 2021).