absztrakt
A szaporodás, a szétszóródás és a letelepedés alapvető populációs folyamatok, és kritikus szakaszai az organizmus életciklusának. Szimbiotikus organizmusokban, például a zuzmókban, amelyek gombákból és fotobiontos populációkból állnak, a szaporodás összetett folyamat. Bár sok zuzmó képes nemi és ivartalan szaporodásra, a vegetatív szaporodás mértéke a helyi populációkban nem ismert. Hat polimorf mikroszatellit lókuszt használtunk annak meghatározására, hogy a rekombináció gyakori-e a természetes populációkban, és hogy a klonális reprodukció befolyásolja-e és hogyan befolyásolja a Lobaria pulmonaria epifitikus zuzmópopulációinak térbeli genetikai szerkezetét. Mind a 12 vizsgált populáció magas genetikai sokfélesége és a különböző vizsgálatokból származó rekombináció bizonyítékai azt mutatták, hogy az L. pulmonaria túlnyomórészt túlmutat a fajokon. A klonalitás azonban minden populációban előfordult, de az ismétlődő multilock genotípusok jelenléte csak alacsony sűrűségű populációkban érintette a tér genetikai szerkezetét. Ezt úgy lehet értelmezni, mint a megnövekedett élőhelyvesztés és zavar okozta genetikai szűk keresztmetszetek mutatóját. Ennek eredményeként a főként zuzmót keresztező fajok esetében az exogén tényezők jelentősen befolyásolhatják a populációs folyamatokat és ezáltal a genetikai struktúrát.
A szexuális vagy ivartalan promóció az egyes szervezetek életciklusának alapvető lépése. A szexuális szaporodás növeli a különböző genotípusok számát a populációkban és növeli a túlélés valószínűségét versenyképes és/vagy változó környezetben (Maynard Smith, 1978; Balloux et al., 2000), míg az ivartalan elterjedés sikeres fejlesztési stratégia lehet a jól adaptált genotípusok, szélsőséges, de stabil élőhelyeken (Murtagh et al, 2000). Míg az állatok és növények párzási rendszereiről és mintázatairól széleskörű ismereteink vannak (pl. Jackson és mtsai, 1996; Takebayashi és Morrell, 2001), ezeket csak szimbiotikus életformákban kezdtük el feltárni és megérteni, például zuzmóban. A zuzmókban történő szexuális szaporodásról szóló számos tanulmány ellenére (Murtagh és mtsai, 2000; Kroken és Taylor, 2001; Högberg és mtsai, 2002) semmi sem ismert annak jelentőségéről a klonális szaporodáshoz képest (tallus, soredia vagy izidia töredékein keresztül). a természetes populációkban. Ennek a tanulmánynak a céljai ezért (i) annak megvizsgálása volt, hogy a rekombináció és ezáltal a tenyésztés általános-e a természetes zuzmópopulációkban, és (ii) annak meghatározása, hogy a klonális szaporodás hogyan befolyásolja a populációk térbeli genetikai szerkezetét.
Anyagok és metódusok
Folios epifitikus zuzmó L. pulmonaria (L.) Hoffm. széles körben elterjedt az északi félteke környező területein és Dél-Afrikában (Yoshimura, 1971, 1998a, 1998b). Míg a L. pulmonaria széles körben elterjedt és még mindig elterjedt Észak-Amerikában (Brodo et al, 2001), Európa számos részén veszélyeztetettnek tekintik (Wirth et al., 1996). Annak ellenére, hogy szexuálisan és klónilag szaporodó fajként írják le, az apocák (nemi szaporulatú gyümölcsös testek) gyakran képződnek, és csak korlátozott számú gomba genotípusú populációk jelennek meg nem szexuális jellegűek (Zoller et al, 1999). Ezt a korrelációt a genotípus sokféleség és a termékenység között annak bizonyítékaként értelmezték, hogy az L. pulmonaria önsteril lehet (heterotalikus; Zoller és mtsai, 1999).
Mintavétel
Összesen 562 talkum L. pulmonaria-t gyűjtöttek a kanadai Brit Columbia kilenc populációjából és három svájci populációból (1. táblázat). A populációt L. pulmonaria-val kolonizált fafoltnak tekintettük. A tapasz kerülete mögött ez a faj nem volt lokálisan jelen. A brit-kolumbiai mintákat három különböző zónában (hipermari idő, haditengerészet és intermontán; Goward, 1999) gyűjtötték össze, hogy Vancouver-sziget déli partjairól a tartomány belsejébe vándoroljanak. Ezek a populációk vagy öreg növekedésű erdőkben (pl. CS, PR, DC, CL, BL vagy OC) vagy sűrű, zavartalan erdőkben (AY, TO és BC) fordultak elő. A svájci mintákat viszonylag nagy, de ritkán lakott populációkban gyűjtötték az Alpok előtti és a Jura-hegységben, ahol az antropogén zavar minimális volt. A teljes populációban fánként egy tallót véletlenszerűen vettek a kiválasztott legközelebbi szomszédos fákból. Megmértük a gazdafák közötti távolságot, kiszámítottuk a helyi populáció területét (2. táblázat) és meghatároztuk az apotheciás minták számát.
Asztal teljes méretben
Asztal teljes méretben
Mikroszatellit elemzés
A DNS-t Walser et al. (2003) hozzávetőlegesen 20 mg tisztított peremlebeny/tallus. Hat mikroszatellit lókuszt (LPu03, LPu09, LPu15, LPu16, LPu20 és LPu27; Walser és mtsai, 2003) vizsgáltak, és az eredeti primerek közül négyet úgy alakítottak át, hogy lerövidítsék az allélméretet vagy elkerüljék az indeleket a szélső területeken. (3. táblázat). A helyeket két multiplex polimeráz láncreakcióban (PCR) amplifikáltuk, amelyek mindegyike három primer párot tartalmazott (LPu03/LPu09/LPu15 és LPu16/LPu20/LPu27). Az ezt követő amplifikáció és fragmentumanalízis automatizált kapilláris szekvenátor segítségével követte a Walser és munkatársai által leírt protokollokat. (2003). Mivel a tallus anyagból DNS-t izoláltak, a gomba DNS aránya nem volt ismert és változott a minták között. Minden 30 μl amplifikációs reakcióban 3 μl genomi DNS-kivonatot használtunk. Walser et al. (2003) szerint az LPu09-lokuszban található 19 allél hosszát, amely meghaladta a 400 bp-ot, részben ellenőrizték a ROX-1000 szabvány méretével (Applied Biosystems), majd ezt követően extrapolálták. Hiányzó mikroszatellit adatokkal rendelkező mintákat kizártunk (n = 3).
Asztal teljes méretben
Statisztikai analízis
Az átlagos allélszámot (A) és az átlagos effektív allélszámot (Ae) Hartl és Clark (1997) szerint számoltuk ki.
Mivel a zuzmó gombapartner haploid és lokuszonként csak egy allél van, a rekombinációs vizsgálatok során a különböző lokuszok közötti allél asszociációkat vizsgálják (Maynard Smith et al., 1993). A panmixia azt jelentené, hogy a fizikailag közeli lokuszok kivételével az összes lokusz alléljai véletlenszerűen kapcsolódnak egymáshoz. Azonban még a különböző kromoszómákon levő gének is eltérhetnek a véletlenszerű asszociációtól különböző tényezők, például genetikai sodródás, szelekció, klonális reprodukció és/vagy nem megfelelő párzás miatt (Lewontin, 1988). A Monte Carlo 10 000 replikával végzett permutációjával kiszámított és a Hommel-módszerrel módosított χ 2 vizsgálatot többszörös összehasonlítás céljából (Hommel, 1988) használtuk a populációnkénti lókuszpárok közötti szignifikáns összefüggés jelenlétének tesztelésére ( a. A genotípusok megismétlése nélkül). Kiszámítottuk továbbá a teljes egyensúlyhiány normalizált mértékét, amelyet Hedrick (1987) írt le, és a kiterjesztett Fisher valószínűségi valószínűségi tesztet annak a nullhipotézisnek az alapján, hogy az ARLEQUIN-ben megvalósított populációnként nincs összefüggés a két tesztelt lókusz között (Schneider et al, 2000).
A populációk rekombinációjának vagy klonalitásának ellenőrzésére standardizált asszociációs indexet (IA) (Maynard Smith és mtsai, 1993) is alkalmaztunk. Az eltérési értékek eloszlásából kiszámítottuk a megfigyelt eltérést (VD) és összehasonlítottuk az egyensúlyi kötődés mellett a várható eltéréssel (Ve) (Maynard Smith és mtsai, 1993; Haubold és mtsai, 1998; Haubold és Hudson, 2000). A nullhipotézist (I A = 0, azaz az allélok véletlen társulása) 1000 permutációval teszteltük, és a P-értékeket ismét Hommel (1988) módszerrel állítottuk be. Ezeket a számításokat egyszer és egyszer hajtottuk végre ismétlődő genotípusok nélkül.
Ha a zuzmót képző gomba klónikusan (mitózison keresztül) vagy homotallikus párosítással szaporodik, akkor a teljes genom hatékonyan kapcsolódik, mivel nincs szegregáció és nincs allél-újrarendezés. Ezenkívül kiszámítottuk a mikroszatellit lókusok páros összehasonlítását a fent leírt multilókus asszociációk mellett. Bármely lokuszpár közötti asszociáció hiánya a rekombináció következményeként értelmezhető, míg a kötődés vagy a homoplazia eltéréseket okozhat a várható genotípusos frekvenciáktól a véletlenszerű párosításban egyes lokuszpároknál.
A populációk térbeli genetikai szerkezetét multilokuszos genotípusok (Smouse és Peakall, 1999) alapján elemeztük a GENALEX (Peakall és Smouse, 2001) felhasználásával a vegetatív és szexuális propagulák szétszóródó hatásainak vizsgálatára. Térbeli autokorrelációs tesztet végeztünk azonos távolságméretű távolságok osztályára, és a két genotípus közötti különbségeken alapuló szekvenciális mutációs modellt alkalmaztunk (Slatkin, 1995), amely a két genotípus közötti összegbeli különbségeken alapszik (Slatkin, 1995 ). A térbeli autokorreláció elemzését kétszer végeztük: egyszer és egyszer ismétlődő genotípusok nélkül. A null hipotézistől való eltérést H 0: r = 0 1000 permutációval határoztuk meg. Ezen elemzés mellett az L. pulmonaria populációkban a földrajzi és genetikai távolságok összefüggését is teszteltük Mantel tesztekkel, 1000 permutációval, az R csomaggal számolva.
Spearman-féle korrelációs korrelációs együtthatókat használtunk a helyi populáció (log-transzformált) és a különböző genotípusok (M) vagy termékeny minták százalékos aránya, valamint a termékeny minták százalékos aránya és az átlagos allélszám (A) vagy az átlag közötti összefüggés becsléséhez. tényleges allélszám (Ae).
az eredmény
Mikroszatellit sokféleség és az apothecia gyakorisága
Az L. pulmonaria lokális populációinak genetikai változatossága hat mikroszatellit lókusz alapján magas volt. Az elemzett 562 egyed közül 405 különböző genotípust találtunk, amelyek 75% -a csak egyszer fordult elő. Az allélok száma a lokuszonként és a populációnként a DC populációban az LPu27 lokusz egyétől a BC populációban az LPu20 lokusz 22 értékéig terjedt. A populációnkénti átlagos allélszám (A) 5, 3 és 10, 5, az átlagos tényleges allélszám (Ae) 3, 1 és 5, 7 között mozgott (2. táblázat). A különböző genotípusok (M) százalékos aránya egyenletesen alacsony volt a svájci populációkban (
50%), de a British Columbia populációk között 52 és 92% között mozgott (2. táblázat). A termékeny minták (apotheciát hordozó) százalékos aránya 0% -tól (ultrahang populáció) és legfeljebb 42% -ig terjedt (CS és PR populációk; 2. táblázat). Jelentős negatív összefüggés volt M és a helyi populáció között (Spearman-együttható, r s =, 0, 766, P = 0,005). Ezzel szemben nem találtunk szignifikáns összefüggést a termékeny minták (apothecia) és az átlagos allélszám (A) vagy az átlagos tényleges allélszám (A e), illetve a termékeny minták százalékos aránya és a helyi populáció között.
Rekombináció és klónitás
Mindhárom egyensúlyhiány-megkötési mérés, a test2 teszt, a teljes egyensúlyhiány Hedrick által normalizált mérése és Fisher kiterjesztett valószínűségi valószínűségi tesztje hasonló eredményeket adott. Csak a χ 2 teszt eredményeit adjuk meg (4. táblázat). A British Columbia összes páros összehasonlításának körülbelül 5% -a, Svájcban pedig 7% -a utasította el a lókuszfüggetlenség nullhipotézisét. Az eredmények nem voltak összhangban a lókuszokkal, és kötési egyensúlyhiányra utaltak az LPu 16/LPu 27 és az LPu 20/LPu 27 lokuszok között (4. táblázat).
Asztal teljes méretben
A páros és multilokus asszociációs index IA elemzésében (Maynard Smith et al., 1993), és amikor az összes mintát figyelembe vettük, a nullhipotézist (azaz nincs összefüggés a két lókusz között) a páros összehasonlítások 32 és 69% -ában elutasítottuk Brit Columbia és Svájc populációk. (5a. Táblázat). Az ismétlődő genotípusokat leszámítva a nullhipotézist csak 5% páros összehasonlításban utasították el British Columbia és 4% Svájc esetében (5b. Táblázat). A nem egyensúlyi kötések fenti elemzésével összhangban az IA-értékek valamivel magasabb értéke szignifikánsan különbözött a nulla értéktől az LPu 16, LPu 20 és LPu 27 lokuszoknál (5b. Táblázat).
Asztal teljes méretben
Téri genetikai szerkezet
A térbeli autokorreláció elemzése különböző genetikai struktúrákat mutatott ki a svájci és a brit Columbia L. pulmonaria populációkban. A svájci populációkban pozitív autokorrelációs értékeket (r) találtak az első távolságosztályokban, amikor az összes mintát (ismétlődő genotípusokkal) felhasználták az elemzésben (1. ábra). Az MT populációban különösen magas r> 0,6 együtthatót találtak a legrövidebb távolságban. Ez a pozitív autokorreláció a svájci populációkban azonban eltűnt, amikor a visszatérő genotípusokat kizárták az elemzésből (1. ábra). Ezzel szemben a British Columbia L. pulmonaria kilenc populációjának egyikében sem találtunk szignifikáns genetikai struktúrát, tekintet nélkül a visszatérő genotípusokra. Példaként a TO populáció megfelelő korlogramjait mutatjuk be az 1. ábrán.
Példák a multilocus térbeli autokorrelációra Lobaria pulmonaria-ban; Svájcból (TW, MT és UZ) és a kanadai Brit Kolumbiából (TO) származó populációk. Minden populációhoz két korrelogrammot mutatunk be ismétlődő genotípussal és anélkül. A 95% -os konfidencia intervallumokat szaggatott vonalak, a nullától lényegesen eltérő értékeket (1000 permutáció alapján) csillag jelöli. Jegyezzük fel a különbözõ x tengely skálákat ugyanazon mintaméret vonatkozásában a távolságosztályokon belül, de ezért populációnként különbözõ skálákat.
Teljes méretű kép
Ezekkel az eredményekkel összhangban szignifikáns és pozitív Mantel-összefüggéseket találtunk csak a svájci populációk földrajzi és genetikai távolságai között, amikor az összes mintát belefoglaltuk (az adatokat nem mutatjuk be). Az összefüggések azonban nem voltak szignifikánsak, ha ismételt genotípus nélküli redukált adatsort használtak.
vita
rekombináció
Általánosságban elmondható, hogy a svájci populációk alacsonyabb thalli sűrűségűek, mint a Brit Kolumbia populációi, és jól reprezentálhatják a korábban nagyobb, sűrűbb és termékenyebb populációk maradványait. Ezenkívül a termékeny minták és a genetikai sokféleség mértékének kapcsolatát befolyásolja a zuzmók egész éves életciklusa és az a tény, hogy az L. pulmonaria apotheciája az élet későbbi szakaszaiban fordul elő (Ramstad és Hestmark, 2001; Denison, 2003 ). Ezért lehetséges, hogy a vizsgált populációk különböző korstruktúrái eltérésekhez vezettek az apothecia megfigyelt gyakoriságában. A 2. táblázat adatai azonban azt sugallják, hogy a termékeny minták populációnkénti százalékos aránya Svájc és Brit Kolumbia között, vagy akár Brit Columbia zónáin belül is változhat. Ezek a megállapítások azt sugallják, hogy az apothecia gyakoriságát és fejlődését exogén tényezők, például az óceán szabályozzák, amelyet azonban tanulmányunkban összekever a magasság.
Genetikai szerkezet
A letargiás vulpina nemrégiben végzett vizsgálata azt mutatta, hogy az észak-amerikai minták genetikai variációja nagyobb volt nyolc egyes nukleotid polimorf helyen (SNP), mint a svéd vagy olasz mintákban. Ezért arra a következtetésre jutottak, hogy az L. vulpina-t Észak-Amerikában ki kell húzni, Európában azonban ténylegesen klonálisnak kell lennie (Högberg et al, 2002). Hasonlóképpen, adataink arra utalnak, hogy a British Columbia-ból származó L. pulmonaria populációkban is lényegesen több genotípus van, mint a svájci populációkban (2. táblázat). A svájci populációkban ez az alacsonyabb genotípusos változatosság a történelmi szűk keresztmetszeteknek tulajdonítható (Zoller és mtsai, 1999). Ezenkívül azt is megállapítottuk, hogy a Vancouver-szigetek populációinak, a CL populáció kivételével, alacsonyabb a genotípus sokféleségük, mint a szárazföldi populációknál. Ennek oka lehet ezen populációk térbeli elszigeteltsége (Walser et al., Publikálatlan adatok). Érdekes módon a különböző genotípusok száma negatív kapcsolatot mutatott a helyi populációval, ami azt jelezheti, hogy a sűrűbb populációk nagyobb számú genotípust támogatnak.
Ezenkívül adataink arra utalnak, hogy a három svájci populáció (Walser, a sajtóban) jelentős, kis léptékű klonális elterjedést mutat. A két földrész populációi közötti térbeli genetikai struktúrák a népsűrűségnek és a történelemnek tulajdoníthatók. Például a Brit Kolumbia populációi a svájci populációkhoz képest kevésbé zavart erdei ökoszisztémákban fordulnak elő, ami akár kisebb területen is nagyobb helyi sűrűséghez, generációk átfedéshez és több genotípushoz vezethetett. Érdekes módon Gu és mtsai. (2001) megállapította, hogy az L. pulmonaria térbeli mintázata Finnországban jobban kontrollált, mint a szűzerdőkben. Noha nem vizsgálták a térbeli genetikai struktúrát, eredményeik, valamint eredményeink arra utalnak, hogy a populáció története befolyásolhatja a populáció térbeli mintáit.
következtetések
köszönöm
Köszönet Trevor Gowardnak és Andy MacKinnonnak a szállásért, az élénk beszélgetésért és a helyszíni segítségért. Hálásak vagyunk Phil LePage, David Cuzner és Trace Leys-Schirok, a British Columbia Forest Service támogatásáért is. Hálával tartozunk Susan E Hoebee-nek, két lektornak és egy szerkesztőnek a kézirattal kapcsolatos konstruktív megjegyzéseikért. Ezt a kutatást a Svájci Nemzeti Tudományos Alapítvány finanszírozta (SNF 31-59241.99), és kapcsolódik az NCCR Plant Survival Research Programhoz, a PS6-hoz.