Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự phân bố địa lý của các allele Idh-1 trong một loài châu chấu liên quan đến hiệu suất động học enzyme khác nhau trong các môi trường nhiệt độ
Tóm tắt
Các đường cline địa lý trong các loài thường được giải thích như là bằng chứng của sự thích nghi với các điều kiện môi trường khác nhau. Tuy nhiên, các đường cline cũng có thể là kết quả của sự trôi gen, và các giả thuyết cạnh tranh này do đó cần phải được kiểm tra một cách thực nghiệm. Châu chấu đất sọc, Allonemobius socius, có phân bố rộng rãi tại miền đông Hoa Kỳ, và các đường cline đã được ghi nhận ở cả các đặc điểm sinh học và allele di truyền. Một locus phân bố theo cline, isocitrate dehydrogenase (Idh-1), đã được chứng minh trước đây có mối tương quan đáng kể giữa tần suất allele và các điều kiện môi trường (nhiệt độ và lượng mưa). Hơn nữa, một nghiên cứu thực nghiệm đã tiết lộ một tương tác genotype-by-environment (GxE) đáng kể giữa genotype Idh-1 và nhiệt độ ảnh hưởng đến độ phì nhiêu. Ở đây, chúng tôi sử dụng động lực học enzyme để khám phá thêm GxE giữa genotype Idh-1 và nhiệt độ, và kiểm tra các dự đoán về hoạt động động học dự kiến dưới sự trôi hoặc chọn lọc. Chúng tôi đã phát hiện GxE đáng kể giữa nhiệt độ và ba tham số động học enzyme, cung cấp thêm bằng chứng rằng sự phân bố tự nhiên của tần suất allele Idh-1 trong A. socius được duy trì bởi chọn lọc tự nhiên. Những khác biệt trong hoạt động động học enzyme qua các nhiệt độ cũng phản ánh nhiều mẫu hình địa lý được quan sát trong tần suất allele. Nghiên cứu này càng củng cố giả thuyết rằng sự phân bố tự nhiên của các allele Idh-1 trong A. socius được thúc đẩy bởi chọn lọc tự nhiên dựa trên hiệu suất enzym khác nhau. Ví dụ này là một trong nhiều ví dụ rõ ràng ghi nhận một cơ sở chức năng cho cả việc duy trì các allele phổ biến và các đường cline quan sát được trong tần suất allele, và cung cấp thêm bằng chứng cho tính không trung lập của một số allele allozyme.
Từ khóa
#châu chấu đất #isocitrate dehydrogenase #hiệu suất enzyme #chọn lọc tự nhiên #tương tác genotype-by-environmentTài liệu tham khảo
Hubby JL, Lewontin RC: A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. I. The number of alleles at different loci in Drosophila pseudoobscura. Genetics. 1966, 54 (2): 577-594.
Harris H: Enzyme polymorphisms in man. Proceedings of the Royal Society of London B. 1966, 164 (995): 298-310. 10.1098/rspb.1966.0032.
Lewontin RC, Hubby JL: A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. II. Amount of variation and degree of heterozygosity in natural populations of Drosophila pseudoobscura. Genetics. 1966, 54 (2): 595-609.
Kreitman M, Akashi H: Molecular evidence for natural selection. Annual Review of Ecology and Systematics. 1995, 26: 403-422. 10.1146/annurev.es.26.110195.002155.
Eanes WF: Analysis of selection on enzyme polymorphisms. Annual Review of Ecology and Systematics. 1999, 30: 301-326. 10.1146/annurev.ecolsys.30.1.301.
Watt WB: Allozymes in evolutionary genetics: self-imposed burden or extraordinary tool. Genetics. 1994, 136 (1): 11-16.
Powers DA, Lauerman T, Crawford D, Dimichele L: Genetic mechanisms for adapting to a changing environment. Annual Review of Genetics. 1991, 25: 629-659. 10.1146/annurev.ge.25.120191.003213.
Hotz H, Semlitsch RD: Differential performance among LDH-B genotypes in Rana lessonae tadpoles. Evolution. 2000, 54 (5): 1750-1759.
Schmidt PS, Bertness MD, Rand DM: Environmental heterogeneity and balancing selection in the acorn barnacle Semibalanus balanoides. Proceedings of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences. 2000, 267 (1441): 379-384. 10.1098/rspb.2000.1012.
Wheat CW, Watt WB, Pollock DD, Schulte PM: From DNA to fitness differences: sequences and structures of adaptive variants of Colias phosphoglucose isomerase (PGI). Molecular Biology and Evolution. 2006, 23 (3): 499-512. 10.1093/molbev/msj062.
Riddoch BJ: The adaptive significance of electrophoretic mobility in phosphoglucose isomerase (PGI). Biological Journal of the Linnean Society. 1993, 50 (1): 1-17. 10.1111/j.1095-8312.1993.tb00915.x.
Fields PA: Review: Protein function at thermal extremes: balancing stability and flexibility. Comp Biochem Phys A. 2001, 129 (2–3): 417-431.
Watt WB: Eggs, enzymes, and evolution: natural genetic variants change insect fecundity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1992, 89 (22): 10608-10612. 10.1073/pnas.89.22.10608.
Huestis DL, Marshall JL: Is natural selection a plausible explanation for the distribution of Idh-1 alleles in the cricket Allonemobius socius?. Ecological Entomology. 2006, 31 (1): 91-98. 10.1111/j.0307-6946.2006.00764.x.
Jaramillo-Correa JP, Beaulieu J, Bousquet J: Contrasting evolutionary forces driving population structure at expressed sequence tag polymorphisms, allozymes and quantitative traits in white spruce. Molecular Ecology. 2001, 10 (11): 2729-2740. 10.1046/j.0962-1083.2001.01386.x.
Storz JF, Nachman MW: Natural selection on protein polymorphism in the rodent genus Peromyscus: evidence from interlocus contrasts. Evolution. 2003, 57 (11): 2628-2635.
Hoffmann AA, Sgro CM, Lawler SH: Ecological population genetics: the interface between genes and the environment. Annual Review of Genetics. 1995, 29: 349-370. 10.1146/annurev.ge.29.120195.002025.
McDonald JH, Kreitman M: Adaptive protein evolution at the Adh locus in Drosophila. Nature. 1991, 351 (6328): 652-654. 10.1038/351652a0.
Dean AM, Golding GB: Protein engineering reveals ancient adaptive replacements in isocitrate dehydrogenase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1997, 94 (7): 3104-3109. 10.1073/pnas.94.7.3104.
Zhu GP, Golding GB, Dean AM: The selective cause of an ancient adaptation. Science. 2005, 307 (5713): 1279-1282. 10.1126/science.1106974.
Hawkins BJ, Sweet GB, Greer DH, Bergin DO: Genetic variation in the frost hardiness of Podocarpus totara. New Zealand Journal of Botany. 1991, 29 (4): 455-458.
Bergmann F, Gregorius HR: Ecogeographical distribution and thermostability of isocitrate dehydrogenase (Idh) alloenzymes in European Silver Fir (Abies alba). Biochem Syst Ecol. 1993, 21 (5): 597-605. 10.1016/0305-1978(93)90059-Z.
da Cunha GL, de Oliveira AK: Citric acid cycle: a mainstream metabolic pathway influencing life span in Drosophila melanogaster?. Experimental Gerontology. 1996, 31 (6): 705-715. 10.1016/S0531-5565(96)00056-3.
Sokolova IM, Portner HO: Temperature effects on key metabolic enzymes in Littorina saxatilis and L. obtusata from different latitudes and shore levels. Marine Biology. 2001, 139 (1): 113-126. 10.1007/s002270100557.
Pemberton JM, Albon SD, Guinness FE, Cluttonbrock TH: Countervailing selection in different fitness components in female red deer. Evolution. 1991, 45 (1): 93-103. 10.2307/2409485.
Vrijenhoek RC, Pfeiler E, Wetherington JD: Balancing selection in a desert stream-dwelling fish, Poeciliopsis monacha. Evolution. 1992, 46 (6): 1642-1657. 10.2307/2410021.
Mitton JB: Selection in Natural Populations. 1997, Oxford: Oxford University Press
Howard DJ, Furth DG: Review of the Allonemobius fasciatus (Orthoptera: Gryllidae) complex with the description of two new species separated by electrophoresis, songs, and morphometrics. Annals of the Entomological Society of America. 1986, 79 (3): 472-481.
Howard DJ, Waring GL: Topographic diversity, zone width, and the strength of reproductive isolation in a zone of overlap and hybridization. Evolution. 1991, 45 (5): 1120-1135. 10.2307/2409720.
Britch SC, Cain ML, Howard DJ: Spatio-temporal dynamics of the Allonemobius fasciatus-A. socius mosaic hybrid zone: a 14-year perspective. Molecular Ecology. 2001, 10 (3): 627-638. 10.1046/j.1365-294x.2001.01215.x.
Marshall JL: The Allonemobius-Wolbachia host-endosymbiont system: evidence for rapid speciation and against reproductive isolation driven by cytoplasmic incompatibility. Evolution. 2004, 58 (11): 2409-2425.
Marshall JL: Rapid evolution of spermathecal duct length in the Allonemobius socius complex of crickets: species, population and Wolbachia effects. PLoS ONE. 2007, 2 (1): e720-10.1371/journal.pone.0000720.
Mousseau TA, Roff DA: Adaptation to seasonality in a cricket: patterns of phenotypic and genotypic variation in body size and diapause expression along a cline in season length. Evolution. 1989, 43 (7): 1483-1496. 10.2307/2409463.
Mousseau TA: Geographic variation in maternal-age effects on diapause in a cricket. Evolution. 1991, 45 (4): 1053-1059. 10.2307/2409710.
Olvido AE, Busby S, Mousseau TA: Oviposition and incubation environmental effects on embryonic diapause in a ground cricket. Animal Behaviour. 1998, 55: 331-336. 10.1006/anbe.1997.0624.
Huestis DL, Marshall JL: Interaction between maternal effects and temperature affects diapause occurrence in the cricket Allonemobius socius. Oecologia. 2006, 146 (4): 513-520. 10.1007/s00442-005-0232-z.
Mousseau TA, Roff DA: Genetic and environmental contributions to geographic variation in the ovipositor length of a cricket. Ecology. 1995, 76 (5): 1473-1482. 10.2307/1938149.
Fedorka KM, Mousseau TA: Nuptial gifts and the evolution of male body size. Evolution. 2002, 56 (3): 590-596.
Olvido AE, Elvington ES, Mousseau TA: Relative effects of climate and crowding on wing polymorphism in the southern ground cricket, Allonemobius socius (Orthoptera: Gryllidae). Florida Entomologist. 2003, 86 (2): 158-164. 10.1653/0015-4040(2003)086[0158:REOCAC]2.0.CO;2.
Bradford MJ, Roff DA: Genetic and phenotypic sources of life history variation along a cline in voltinism in the cricket Allonemobius socius. Oecologia. 1995, 103 (3): 319-326. 10.1007/BF00328620.
Howard DJ: Speciation and coexistence in a group of closely-related ground crickets. Ph.D. Dissertation. 1982, Yale University, New Haven, Connecticut
Howard DJ: Electrophoretic survey of eastern North American Allonemobius (Orthoptera: Gryllidae): evolutionary relationships and the discovery of three new species. Annals of the Entomological Society of America. 1983, 76 (6): 1014-1021.
Cornish-Bowden A: Fundamentals of Enzyme Kinetics. 2004, London: Portland Press, 3
Oppert B, Kramer KJ, McGaughey WH: Rapid microplate assay for substrates and inhibitors of proteinase mixtures. BioTechniques. 1997, 23 (1): 70-72.
Levitzki A, Koshland DE: Negative cooperativity in regulatory enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 1969, 62 (4): 1121-1128. 10.1073/pnas.62.4.1121.
SAS Institute: SAS Learning Edition 4.1. 2006, SAS Institute, Inc., Cary, NC
Have van der TM, de Jong G: Adult size in ectotherms: temperature effects on growth and differentiation. Journal of Theoretical Biology. 1996, 183 (3): 329-340. 10.1006/jtbi.1996.0224.
Johns GC, Somero GN: Evolutionary convergence in adaptation of proteins to temperature: A4-lactate dehydrogenases of pacific damselfishes (Chromis spp.). Molecular Biology and Evolution. 2004, 21 (2): 314-320. 10.1093/molbev/msh021.
Daniel RM, Danson MJ, Eisenthal R: The temperature optima of enzymes: a new perspective on an old phenomenon. Trends Biochem Sci. 2001, 26 (4): 223-225. 10.1016/S0968-0004(01)01803-5.
Ma YF, Evans DE, Logue SJ, Langridge P: Mutations of barley β-amylase that improve substrate-binding affinity and thermostability. Molecular Genetics and Genomics. 2001, 266 (3): 345-352. 10.1007/s004380100566.
Peterson ME, Eisenthal R, Danson MJ, Spence A, Daniel RM: A new intrinsic thermal parameter for enzymes reveals true temperature optima. Journal of Biological Chemistry. 2004, 279 (20): 20717-20722. 10.1074/jbc.M309143200.
Peterson ME, Daniel RM, Danson MJ, Eisenthal R: The dependence of enzyme activity on temperature: determination and validation of parameters. Biochemical Journal. 2007, 402 (2): 331-337. 10.1042/BJ20061143.
Watt WB: Adaptation at specific loci. I. Natural selection on phosphoglucose isomerase of Colias butterflies: biochemical and population aspects. Genetics. 1977, 87 (1): 177-194.
Watt WB: Adaptation at specific loci. II. Demographic and biochemical elements in the maintenance of the Colias PGI polymorphism. Genetics. 1983, 103 (4): 691-724.
Xu Y, Feller G, Gerday C, Glansdorff N: Metabolic enzymes from psychrophilic bacteria: challenge of adaptation to low temperatures in ornithine carbamoyltransferase from Moritella abyssi. Journal of Bacteriology. 2003, 185 (7): 2161-2168. 10.1128/JB.185.7.2161-2168.2003.
Xu Y, Feller G, Gerday C, Glansdorff N: Moritella cold-active dihydrofolate reductase: are there natural limits to optimization of catalytic efficiency at low temperature?. Journal of Bacteriology. 2003, 185 (18): 5519-5526. 10.1128/JB.185.18.5519-5526.2003.
Schlichting CD, Pigliucci M: Phenotypic Evolution: A Reaction Norm Perspective. 1998, Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates
Karl SA, Avise JC: Balancing selection at allozyme loci in oysters: implications from nuclear RFLP's. Science. 1992, 256 (5053): 100-102. 10.1126/science.1348870.
Piccino P, Viard F, Sarradin PM, Le Bris N, Le Guen D, Jollivet D: Thermal selection of PGM allozymes in newly founded populations of the thermotolerant vent polychaete Alvinella pompejana. Proceedings of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences. 2004, 271 (1555): 2351-2359. 10.1098/rspb.2004.2852.
Holland LZ, McFall-Ngai M, Somero GN: Evolution of lactate dehydrogenase-A homologs of barracuda fishes (genus Sphyraena) from different thermal environments: differences in kinetic properties and thermal stability are due to amino acid substitutions outside the active site. Biochemistry. 1997, 36 (11): 3207-3215. 10.1021/bi962664k.
Dahlhoff EP, Rank NE: Functional and physiological consequences of genetic variation at phosphoglucose isomerase: heat shock protein expression is related to enzyme genotype in a montane beetle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2000, 97 (18): 10056-10061. 10.1073/pnas.160277697.