Genetisk mångfald

En grafisk representation av den typiska mänskliga karyotypen .

Genetisk mångfald är det totala antalet genetiska egenskaper i den genetiska sammansättningen av en art, den sträcker sig brett från antalet arter till skillnader inom arter och kan hänföras till överlevnadsspannet för en art. Det särskiljs från genetisk variabilitet , som beskriver tendensen hos genetiska egenskaper att variera.

Genetisk mångfald fungerar som ett sätt för befolkningar att anpassa sig till föränderliga miljöer. Med mer variation är det mer sannolikt att vissa individer i en population kommer att ha variationer av alleler som är lämpade för miljön. Dessa individer är mer benägna att överleva för att producera avkomma som bär den allelen. Befolkningen kommer att fortsätta i flera generationer på grund av framgångarna för dessa individer.

Det akademiska området populationsgenetik innehåller flera hypoteser och teorier om genetisk mångfald. Den neutrala evolutionsteorin föreslår att mångfald är resultatet av ackumuleringen av neutrala substitutioner. Diversifierande urval är hypotesen att två subpopulationer av en art lever i olika miljöer som väljer olika alleler på ett visst ställe. Detta kan till exempel inträffa om en art har ett stort utbredningsområde i förhållande till individernas rörlighet inom den. Frekvensberoende urval är hypotesen att när alleler blir vanligare blir de mer sårbara. Detta inträffar i värd-patogen-interaktioner , där en hög frekvens av en defensiv allel bland värden betyder att det är mer sannolikt att en patogen kommer att sprida sig om den kan övervinna den allelen .

Inom artmångfald

Sorter av majs på kontoret för den ryska växtgenetikern Nikolai Vavilov

En studie utförd av National Science Foundation 2007 fann att genetisk mångfald (inom artdiversitet ) och biologisk mångfald är beroende av varandra - dvs att mångfald inom en art är nödvändig för att upprätthålla mångfald mellan arter, och vice versa. Enligt den ledande forskaren i studien, Dr Richard Lankau, "Om någon typ tas bort från systemet kan cykeln bryta ner och samhället domineras av en enda art." Genotypisk och fenotypisk mångfald har hittats i alla arter på protein- , DNA- och organismnivå ; i naturen är denna mångfald icke-slumpmässig, starkt strukturerad och korrelerad med miljövariationer och stress .

Det ömsesidiga beroendet mellan genetisk mångfald och arter är känsligt. Förändringar i arternas mångfald leder till förändringar i miljön, vilket leder till anpassning av de återstående arterna. Förändringar i genetisk mångfald, såsom förlust av arter, leder till förlust av biologisk mångfald . Förlust av genetisk mångfald i husdjurspopulationer har också studerats och tillskrivits utvidgningen av marknader och ekonomisk globalisering .

Evolutionär betydelse av genetisk mångfald

Anpassning

Variation i populationens genpool tillåter naturligt urval att agera på egenskaper som tillåter populationen att anpassa sig till föränderliga miljöer. Selektion för eller emot en egenskap kan ske med förändrad miljö – vilket resulterar i en ökning av genetisk mångfald (om en ny mutation selekteras för och bibehålls) eller en minskning av genetisk mångfald (om en ofördelaktig allel selekteras mot). Därför spelar genetisk mångfald en viktig roll för en arts överlevnad och anpassningsförmåga. Befolkningens förmåga att anpassa sig till den föränderliga miljön kommer att bero på närvaron av den nödvändiga genetiska mångfalden Ju mer genetisk mångfald en population har, desto större sannolikhet kommer befolkningen att kunna anpassa sig och överleva. Omvänt kommer en befolknings sårbarhet för förändringar, såsom klimatförändringar eller nya sjukdomar , att öka med minskad genetisk mångfald. Till exempel har koalornas oförmåga att anpassa sig för att bekämpa klamydia och koala retrovirus (KoRV) kopplats till koalans låga genetiska mångfald. Denna låga genetiska mångfald gör också att genetiker är oroliga för koalornas förmåga att anpassa sig till klimatförändringar och mänskligt framkallade miljöförändringar i framtiden.

Små populationer

Stora populationer är mer benägna att behålla genetiskt material och har därför generellt högre genetisk mångfald. Små populationer är mer benägna att uppleva förlusten av mångfald över tid av en slump, vilket kallas genetisk drift . När en allel (variant av en gen) driver till fixering, förloras den andra allelen på samma lokus, vilket resulterar i en förlust av genetisk mångfald. I små populationsstorlekar inavel eller parning mellan individer med liknande genetisk sammansättning inträffar, vilket bibehåller fler vanliga alleler till fixeringspunkten, vilket minskar den genetiska mångfalden. Oron för genetisk mångfald är därför särskilt viktig med stora däggdjur på grund av deras lilla populationsstorlek och höga nivåer av mänskligt orsakade populationseffekter. ^[16]

En genetisk flaskhals kan uppstå när en population går igenom en period med lågt antal individer, vilket resulterar i en snabb minskning av genetisk mångfald. Även med en ökning av populationsstorleken fortsätter den genetiska mångfalden ofta att vara låg om hela arten började med en liten population, eftersom fördelaktiga mutationer (se nedan) är sällsynta och genpoolen begränsas av den lilla startpopulationen. Detta är ett viktigt övervägande inom området bevarandegenetik , när man arbetar mot en räddad population eller art som är genetiskt frisk.

Mutation

Slumpmässiga mutationer genererar genomgående genetisk variation . En mutation kommer att öka den genetiska mångfalden på kort sikt, eftersom en ny gen introduceras i genpoolen. Men den här genens beständighet är beroende av drift och selektion (se ovan). De flesta nya mutationer har antingen en neutral eller negativ effekt på konditionen, medan vissa har en positiv effekt. En fördelaktig mutation är mer sannolikt att kvarstå och därmed ha en långsiktig positiv effekt på genetisk mångfald. Mutationshastigheter skiljer sig över genomet, och större populationer har högre mutationshastigheter. I mindre populationer är det mindre sannolikt att en mutation kvarstår eftersom det är mer sannolikt att den elimineras genom drift.

Genflöde

Genflöde , ofta genom migration, är förflyttning av genetiskt material (till exempel genom pollen i vinden, eller migration av en fågel). Genflöde kan introducera nya alleler till en population. Dessa alleler kan integreras i populationen, vilket ökar den genetiska mångfalden.

Till exempel uppstod en insekticid -resistent mutation i Anopheles gambiae afrikanska myggor. Migration av några A. gambiae -myggor till en population av Anopheles coluzziin- myggor resulterade i en överföring av den fördelaktiga resistensgenen från en art till en annan. Den genetiska mångfalden ökades i A. gambiae genom mutation och i A. coluzziin genom genflöde.

I jordbruket

I grödor

När människor från början började odla använde de selektiv avel för att föra vidare önskvärda egenskaper hos grödorna samtidigt som de utelämnade de oönskade. Selektiv förädling leder till monokulturer : hela gårdar med nästan genetiskt identiska växter. Lite eller ingen genetisk mångfald gör grödor extremt mottagliga för utbredda sjukdomar; bakterier morphs och förändras ständigt och när en sjukdomsframkallande bakterie ändras för att attackera en specifik genetisk variation, kan den lätt utplåna stora mängder av arten. Om den genetiska variationen som bakterien är bäst på att angripa råkar vara den som människor selektivt har avlat fram för att använda för skörd, kommer hela skörden att utplånas.

stora hungersnöden på 1800-talet i Irland orsakades delvis av brist på biologisk mångfald. Eftersom nya potatisplantor inte kommer som ett resultat av reproduktion, utan snarare från delar av föräldraväxten, utvecklas ingen genetisk mångfald, och hela skörden är i huvudsak en klon av en potatis, är den särskilt mottaglig för en epidemi. På 1840-talet var mycket av Irlands befolkning beroende av potatis som mat. De planterade nämligen den "klumpiga" varianten av potatis, som var mottaglig för en röta-orsakande oomycete som kallas Phytophthora infestans . Svampen förstörde den stora majoriteten av potatisskörden och lämnade en miljon människor att svälta ihjäl.

Den genetiska mångfalden inom jordbruket relaterar inte bara till sjukdomar, utan även växtätare . På samma sätt, som i exemplet ovan, väljer monokulturjordbruk egenskaper som är enhetliga genom hela tomten. Om denna genotyp är mottaglig för vissa växtätare, kan detta leda till att en stor del av grödan går förlorad. Ett sätt för bönder att komma runt detta är genom odling mellan olika odlingar . Genom att plantera rader av obesläktade eller genetiskt distinkta grödor som barriärer mellan växtätare och deras föredragna värdväxt, minskar bonden effektivt växtätarens förmåga att sprida sig över hela tomten.

I boskap

Den genetiska mångfalden av boskapsarter möjliggör djurhållning i en rad miljöer och med en rad olika mål. Det tillhandahåller råvaran för selektiva avelsprogram och tillåter boskapspopulationer att anpassa sig när miljöförhållandena förändras.

Boskapens biologiska mångfald kan gå förlorad till följd av rasutrotning och andra former av genetisk erosion . Från och med juni 2014, bland de 8 774 raser som registrerats i informationssystemet för husdjurs mångfald ( DAD-IS ), som drivs av FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation ( FAO ), klassificerades 17 procent som risk för utrotning och 7 procent redan utdöd. Det finns nu en global handlingsplan för animaliska genetiska resurser som utvecklades under överinseende av kommissionen för genetiska resurser för livsmedel och jordbruk 2007, som ger ett ramverk och riktlinjer för hanteringen av animaliska genetiska resurser.

Medvetenheten om vikten av att upprätthålla animaliska genetiska resurser har ökat med tiden. FAO har publicerat två rapporter om tillståndet för världens djurgenetiska resurser för livsmedel och jordbruk, som täcker detaljerade analyser av vår globala boskapsmångfald och förmåga att hantera och bevara dem.

Virala implikationer

Hög genetisk mångfald i virus måste beaktas vid utformning av vaccinationer. Hög genetisk mångfald resulterar i svårigheter att designa riktade vacciner, och gör att virus snabbt kan utvecklas för att motstå vaccinationsdödlighet. Till exempel påverkas malariavaccinationer av höga nivåer av genetisk mångfald i proteinantigenerna. Dessutom HIV-1 genetisk mångfald användningen av för närvarande tillgängliga virusbelastnings- och resistenstester.

Coronavirus- populationer har en betydande evolutionär mångfald på grund av mutation och homolog rekombination . Till exempel avslöjade sekvenseringen av 86 SARS-CoV-2-koronavirusprover erhållna från infekterade patienter 93 mutationer som indikerar närvaron av avsevärd genetisk mångfald. Replikation av coronavirusets RNA-genom katalyseras av ett RNA-beroende RNA-polymeras . Under replikering kan detta polymeras genomgå mallbyte, en form av homolog rekombination. Denna process som också genererar genetisk mångfald verkar vara en anpassning för att hantera RNA-genomskador.

Att klara av låg genetisk mångfald

En tanzanisk gepard .

Naturlig

Fotomontage av planktoniska organismer.

Naturen har flera sätt att bevara eller öka genetisk mångfald. Bland oceaniskt plankton hjälper virus till i den genetiska förändringsprocessen . Havsvirus, som infekterar planktonet, bär på gener från andra organismer förutom sina egna. När ett virus som innehåller generna från en cell infekterar en annan, förändras den senares genetiska sammansättning. Denna ständiga förändring av genetisk sammansättning hjälper till att upprätthålla en hälsosam population av plankton trots komplexa och oförutsägbara miljöförändringar.

Geparder är en hotad art . Låg genetisk mångfald och resulterande dålig spermiekvalitet har gjort avel och överlevnad svårt för geparder. Dessutom överlever endast cirka 5 % av geparderna till vuxen ålder. Det har dock nyligen upptäckts att geparder honor kan para sig med mer än en hane per kull ungar. De genomgår inducerad ägglossning, vilket innebär att ett nytt ägg produceras varje gång en hona parar sig. Genom att para sig med flera hanar ökar modern den genetiska mångfalden inom en enda kull ungar.

Mänskligt ingripande

Försök att öka livskraften för en art genom att öka den genetiska mångfalden kallas genetisk räddning. Till exempel introducerades åtta pantrar från Texas till Floridas panterpopulation, som minskade och led av inavelsdepression. Den genetiska variationen ökade således och resulterade i en betydande ökning av befolkningstillväxten hos Florida Panther. Att skapa eller upprätthålla en hög genetisk mångfald är en viktig faktor vid arträddningsinsatser för att säkerställa en populations livslängd.

Åtgärder

En populations genetiska mångfald kan bedömas med några enkla mått.

• Gendiversitet är andelen polymorfa loci över genomet .
• Heterozygositet är andelen individer i en population som är heterozygota för ett visst lokus.
• Alleler per lokus används också för att visa variabilitet.
• Nukleotiddiversitet är omfattningen av nukleotidpolymorfismer inom en population och mäts vanligtvis genom molekylära markörer såsom mikro- och minisatellitsekvenser, mitokondriellt DNA och enkelnukleotidpolymorfismer (SNP).

Dessutom används stokastisk simuleringsprogram vanligen för att förutsäga framtiden för en population givna mått som allelfrekvens och populationsstorlek.

Genetisk mångfald kan också mätas. De olika registrerade sätten att mäta genetisk mångfald inkluderar:

• Artrikedom är ett mått på antalet arter
• Artförekomst ett relativt mått på förekomsten av arter
• Arttäthet en utvärdering av det totala antalet arter per ytenhet

Se även

• Biologisk mångfald
• Centrum för mångfald
• Genetisk variation
• Genetiska resurser
• Människans genetiska variation
• Human Variome-projekt
• Internationellt HapMap-projekt

externa länkar

• Genomförande av den globala handlingsplanen för djurgenetiska resurser
• Informationssystem för tamdjurs mångfald
• kommissionen för genetiska resurser för livsmedel och jordbruk