Chuỗi gen ti thể làm sáng tỏ các dòng mẹ có giá trị bảo tồn ở một loài ăn thịt hiếm

Springer Science and Business Media LLC - Tập 11 Số 1 - 2011
Brian J. Knaus1, Richard Cronn1, Aaron Liston2, Kristine L. Pilgrim3, Michael K. Schwartz3
1USDA Forest Service, Pacific Northwest Research Station, Corvallis, OR 97331, USA
2Department of Botany & Plant Pathology, Oregon State University, Corvallis, OR 97331, USA
3USDA Forest Service, Rocky Mountain Research Station, Missoula, MT, 59801, USA

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Quản lý động vật hoang dã dựa trên khoa học phụ thuộc vào thông tin di truyền để suy luận về sự liên kết giữa các quần thể và xác định các đơn vị bảo tồn. Dấu hiệu di truyền thường được sử dụng để mô tả đa dạng sinh học động vật và xác định di truyền mẹ là bộ gen ti thể. Genotype ti thể đóng vai trò nổi bật trong các kế hoạch bảo tồn và quản lý, trong đó phần lớn sự chú ý tập trung vào vòng lặp không mã hóa ("D"). Chúng tôi đã sử dụng phương pháp giải mã song song quy mô lớn để giải trình tự hoàn chỉnh các gen ti thể từ 40 cá thể cáo, một loài ăn thịt có nguy cơ tuyệt chủng sở hữu sự đa dạng di truyền ti thể thấp. Điều này cho phép chúng tôi kiểm tra một giả định quan trọng trong di truyền bảo tồn, cụ thể là vòng lặp D phản ánh chính xác mối quan hệ gia phả và sự biến đổi của toàn bộ bộ gen ti thể. Kết quả Tổng thể sai khác về gen ti thể ở cáo là rất thấp, với 66 vị trí phân ly và khoảng cách trung bình giữa các bộ gen là 0.00088 trên chiều dài được căn chỉnh của chúng (16,290 bp). Các ước lượng về sự biến đổi và mối quan hệ gia phả từ vùng vòng lặp dịch chuyển (D) (299 bp) bị mâu thuẫn bởi toàn bộ bộ gen ti thể, cũng như phần protein mã hóa của bộ gen ti thể. Nguồn gốc của sự mâu thuẫn này chủ yếu xuất phát từ sự gần như không có đột biến đánh dấu vùng vòng lặp D của một trong những nhánh có sự phân ly cao nhất, và thứ hai là từ các đột biến độc lập (tái diễn) tại hai vị trí nucleotide trong amplicon vòng lặp D. Kết luận Nghiên cứu của chúng tôi có hai ý nghĩa quan trọng. Đầu tiên, những tái cấu trúc gia phả suy luận dựa trên vùng vòng lặp D của cáo mâu thuẫn với các suy luận dựa trên toàn bộ bộ gen ti thể ở mức độ mà các quần thể có giá trị bảo tồn lớn nhất không thể được xác định chính xác. Phân tích toàn bộ bộ gen xác định các haplotype của California từ các quần thể phía bắc như là rất đặc trưng, với một lượng lớn các thay đổi axit amin có thể chỉ ra sự thích nghi phân tử; các trình tự vòng lặp D không nhận diện được dòng ti thể độc đáo này. Thứ hai, tác động của đột biến tái diễn dường như gây ảnh hưởng lớn nhất trong các haplotype có quan hệ gần gũi, do mức độ tín hiệu tiến hóa thấp (các đột biến độc nhất đánh dấu các nhánh) so với tiếng ồn tiến hóa (đột biến tái diễn, chia sẻ trong các haplotype không có quan hệ). Đối với các nhà quản lý động vật hoang dã, điều này có nghĩa là các quần thể có giá trị bảo tồn lớn nhất có thể đang đối mặt với nguy cơ lớn nhất bị xác định sai bởi loại hình haplotype vòng lặp D. Thông điệp này rất kịp thời vì nó làm nổi bật những cơ hội mới để căn cứ các quyết định bảo tồn trên thông tin di truyền chính xác hơn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Palsbøll PJ, Bérubé M, Allendorf FW: Identification of management units using population genetic data. Trends Ecol Evol. 2007, 22 (1): 11-16. 10.1016/j.tree.2006.09.003.

Pang JF, Kluetsch C, Zou XJ, Zhang A, Luo LY, Angleby H, Ardalan A, Ekström C, Sköllermo A, Lundeberg J, Matsumura S, Leitner T, Zhang Y-P, Savolainen P: mtDNA data indicate a single origin for dogs south of Yangtze River, less than 16,300 years ago, from numerous wolves. Mol Biol Evol. 2009, 26 (12): 2849-2849. 10.1093/molbev/msp195.

Tamm E, Kivisild T, Reidla M, Metspalu M, Smith DG, Mulligan CJ, Bravi CM, Rickards O, Martinez-Labarga C, Khusnutdinova EK, Fedorova SA, Golubenko MV, Stepanov VA, Gubina MA, Zhadanov SI, Ossipova LP, Damba L, Voevoda MI, Dipierri JE, Villems R, Malhi RS: Beringian standstill and spread of native American founders. PLoS ONE. 2007, 2 (9): e829-e829. 10.1371/journal.pone.0000829.

Endicott P, Ho SYW, Metspalu M, Stringer C: Evaluating the mitochondrial timescale of human evolution. Trends Ecol Evol. 2009, 24 (9): 515-521. 10.1016/j.tree.2009.04.006.

Subramanian S, Denver DR, Millar CD, Heupink T, Aschrafi A, Emslie SD, Baroni C, Lambert DM: High mitogenomic evolutionary rates and time dependency. Trends Genet. 2009, 25 (11): 482-486. 10.1016/j.tig.2009.09.005.

Taylor RW, Turnbull DM: Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nat Rev Genet. 2005, 6 (5): 389-402.

Yu-Wai-Man P, Griffiths PG, Hudson G, Chinnery PF: Inherited mitochondrial optic neuropathies. J Med Genet. 2008, 46 (3): 145-158. 10.1136/jmg.2007.054270.

Morin PA, Archer FI, Foote AD, Vilstrup J, Allen EE, Wade P, Durban J, Parsons K, Pitman R, Li L, Bouffard P, Abel Nielsen SC, Rasmussen M, Willerslev E, Gilbert MTP, Harkins T: Complete mitochondrial genome phylogeographic analysis of killer whales (Orcinus orca) indicates multiple species. Genome Res. 2010, 20: 908-916. 10.1101/gr.102954.109.

Duriez O, Sachet J-M, Ménoni E, Pidancier N, Miquel C, Taberlet P: Phylogeography of the Capercaillie in Eurasia: what is the conservation status in the Pyrenees and Cantabrian Mounts?. Conserv Genet. 2006, 8 (3): 513-526.

Ingman M, Gyllensten U: Rate variation between mitochondrial domains and adaptive evolution in humans. Hum Mol Genet. 2007, 16 (19): 2281-2281. 10.1093/hmg/ddm180.

Kivisild T: The role of selection in the evolution of human mitochondrial genomes. Genetics. 2005, 172 (1): 373-387. 10.1534/genetics.105.043901.

Endicott P, Ho SYW: A bayesian evaluation of human mitochondrial substitution rates. Am J Hum Genet. 2008, 82: 895-902. 10.1016/j.ajhg.2008.01.019.

Ingman M, Kaessmann H, Pääbo S, Gyllensten U: Mitochondrial genome variation and the origin of modern humans. Nature. 2000, 408 (6813): 708-713. 10.1038/35047064.

Castoe TA, de Koning APJ, Kim HM, Gu W, Noonan BP, Naylor G, Jiang ZJ, Parkinson CL, Pollock DD: Evidence for an ancient adaptive episode of convergent molecular evolution. Proc Natl Acad Sci USA. 2009, 106 (22): 8986-8986. 10.1073/pnas.0900233106.

Briggs AW, Good JM, Green RE, Krause J, Maricic T, Stenzel U, Lalueza-Fox C, Rudan P, Brajković D, Kućan Ž, Gušić I, Schmitz R, Doronichev VB, Golovanova LV, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Pääbo S: Targeted retrieval and analysis of five Neandertal mtDNA genomes. Science. 2009, 325 (5938): 318-321. 10.1126/science.1174462.

Gilbert MTP, Tomsho LP, Rendulic S, Packard M, Drautz DI, Sher A, Tikhonov A, Dalen L, Kuznetsova T, Kosintsev P, Campos PF, Higham T, Collins MJ, Wilson AS, Shidlovskiy F, Buigues B, Ericson PGP, Germonpré M, Götherström A, Iacumin P, Nikolaev V, Nowak-Kemp M, Willerslev E, Knight JR, Irzyk GP, Perbost CS, Fredrikson KM, Harkins TT, Sheridan S, Miller W, Schuster SC: Whole-genome shotgun sequencing of mitochondria from ancient hair shafts. Science. 2007, 317 (5846): 1927-1930. 10.1126/science.1146971.

Gilbert MTP, Drautz DI, Lesk AM, Ho SYW, Qi J, Ratan A, Hsu CH, Sher A, Dalen L, Gotherstrom A: Intraspecific phylogenetic analysis of Siberian woolly mammoths using complete mitochondrial genomes. Proc Natl Acad Sci USA. 2008, 105: 8327-8332. 10.1073/pnas.0802315105.

Willerslev E, Gilbert MT, Binladen J, Ho S, Campos P, Ratan A, Tomsho L, da Fonseca R, Sher A, Kuznetsova T, Nowak-Kemp M, Roth TL, Miller W, Schuster SC: Analysis of complete mitochondrial genomes from extinct and extant rhinoceroses reveals lack of phylogenetic resolution. BMC Evol Biol. 2009, 9 (1): 95-95. 10.1186/1471-2148-9-95.

Lerner HRL, Fleischer RC: Prospects for the use of next-generation sequencing methods in ornithology. Auk. 2010, 127 (1): 4-15. 10.1525/auk.2010.127.1.4.

Lister R, Gregory BD, Ecker JR: Next is now: new technologies for sequencing of genomes, transcriptomes, and beyond. Curr Opin Plant Biol. 2009, 12 (2): 107-118. 10.1016/j.pbi.2008.11.004.

Mardis E: The impact of next-generation sequencing technology on genetics. Trends Genet. 2008, 24: 133-141. 10.1016/j.tig.2007.12.007.

Morozova O, Marra MA: Applications of next-generation sequencing technologies in functional genomics. Genomics. 2008, 92 (5): 255-264. 10.1016/j.ygeno.2008.07.001.

Tautz D, Ellegren H, Weigel D: Next generation molecular ecology. Mol Ecol. 2010, 19 (S1): 1-3.

Craig DW, Pearson JV, Szelinger S, Sekar A, Redman M, Corneveaux JJ, Pawlowski TL, Laub T, Nunn G, Stephan DA, Homer N, Huentelman MJ: Identification of genetic variants using bar-coded multiplexed sequencing. Nat Methods. 2008, 5 (10): 887-893. 10.1038/nmeth.1251.

Cronn R, Liston A, Parks M, Gernandt DS, Shen R, Mockler T: Multiplex sequencing of plant chloroplast genomes using Solexa sequencing-by-synthesis technology. Nucl Acids Res. 2008, 36 (19): e122-e122. 10.1093/nar/gkn502.

Drew RE, Hallett JG, Aubry KB, Cullings KW, Koepf SM, Zielinski WJ: Conservation genetics of the fisher (Martes pennanti) based on mitochondrial DNA sequencing. Mol Ecol. 2003, 12 (1): 51-62.

Vinkey RS, Schwartz MK, McKelvey KS, Foresman KR, Pilgrim KL, Giddings BJ, Lofroth EC: When reintroductions are augmentations: the genetic legacy of fishers (Martes pennanti) in Montana. J Mammal. 2006, 87 (2): 265-271. 10.1644/05-MAMM-A-151R1.1.

Jordan MJ, Higley JM, Mathews SM, Rhodes OE, Schwartz MK, Barrett RH, Palsbøll PJ: Development of 22 new microsatellite loci for fishers (Martes pennanti) with variability results from across their range. Mol Ecol Notes. 2007, 7 (5): 797-801. 10.1111/j.1471-8286.2007.01708.x.

Wisely SM, Buskirk SW, Russell GA, Aubry KB, Zielinski WJ: Genetic diversity and structure of the fisher (Martes pennanti) in a peninsular and peripheral metapopulation. J Mammal. 2004, 85 (4): 640-648. 10.1644/BEL-011.

Schwartz MK: Ancient DNA confirms native Rocky Mountain fisher (Martes pennanti) avoided early 20th Century extinction. J Mammal. 2007, 88 (4): 921-925. 10.1644/06-MAMM-A-217R1.1.

Zielinski WJ, Truex RL, Schlexer FV, Campbell LA, Carroll C: Historical and contemporary distributions of carnivores in forests of the Sierra Nevada, California, USA. J Biogeogr. 2005, 32 (8): 1385-1407. 10.1111/j.1365-2699.2005.01234.x.

US Fish and Wildlife Service: 90-day finding on a petition to list a distinct population segment of the fisher in its United States Northern Rocky Mountain range as endangered or threatened with critical habitat. United States Federal Register. 2010, 75: 19925-19935.

Pond SLK, Frost SDW: A genetic algorithm approach to detecting lineage-specific variation in selection pressure. Mol Biol Evol. 2005, 22 (3): 478-478.

Howe D, Denver D: Muller's Ratchet and compensatory mutation in Caenorhabditis briggsae mitochondrial genome evolution. BMC Evol Biol. 2008, 8 (1): 62-10.1186/1471-2148-8-62.

Nabholz B, Glémin S, Galtier N: Strong variations of mitochondrial mutation rate across mammals - the longevity hypothesis. Mol Biol Evol. 2008, 25 (1): 120-130.

US Fish and Wildlife Service: Conference opinion and findings and recommendations on issuance of an enhancement of survival permit for the fisher (Martes pennanti) to Sierra Pacific Industries, Inc. United States Federal Register. 2004, 69: 18770-18770.

Grinnell J, Dixon JS, Linsdale JM: Fur-bearing mammals of California: their natural history, systematic status, and relations to man. 1937, Berkeley: University of California press

Callas RL, Figura P: Translocation plan for the reintroduction of fishers (Martes pennanti) to lands owned by Sierra Pacific Industries in the northern Sierra Nevada of California. 2008, Sacramento: California Department of Fish and Game, 80:

Buskirk SW, Powell RA: Habitat ecology of fishers and American martens. Martens, sables and fishers: biology and conservation. Edited by: Buskirk SW, Hareslad AS, Raphael MG, Powell RA. 1994, Ithaca, NY: Cornell University Press, 283-296.

Davis FW, Seo C, Zielinski WJ: Regional variation in home-range-scale habitat models for fisher (Martes pennanti) in California. Ecol Appl. 2008, 17 (8): 2195-2213.

Graham RW, Graham MW: Late Quaternary distribution of Martes in North America. Martens, sables and fishers: biology and conservation. Edited by: Buskirk SW, Harestad AS, Raphael MG, Powell RA. 1994, Ithaca, NY: Cornell University Press, 26-58.

Graur D, Martin W: Reading the entrails of chickens: molecular timescales of evolution and the illusion of precision. Trends Genet. 2004, 20 (2): 80-86. 10.1016/j.tig.2003.12.003.

Denver DR, Morris K, Lynch M, Thomas WK: High mutation rate and predominance of insertions in the Caenorhabditis elegans nuclear genome. Nature. 2004, 430: 679-682. 10.1038/nature02697.

Anderson E: Quaternary evolution of the genus Martes (Carnivora, Mustelidae). Acta Zool Fennica. 1970, 22: 478-485.

Youngman PM, Schueler FW: Martes nobilis is a synonym of Martes americana, not an extinct Pleistocene-Holocene species. J Mammal. 1991, 72 (3): 567-577. 10.2307/1382140.

Zerbino DR, Birney E: Velvet: Algorithms for de novo short read assembly using de Bruijn graphs. Genome Res. 2008, 18 (5): 821-829. 10.1101/gr.074492.107.

Kent WJ: BLAT--The BLAST-like alignment tool. Genome Res. 2002, 12 (4): 656-664.

RGA: Reference-Guided Assembler (RGA). [http://rga.cgrb.oregonstate.edu/]

Li H, Ruan J, Durbin R: Mapping short DNA sequencing reads and calling variants using mapping quality scores. Genome Res. 2008, 18 (11): 1851-1858. 10.1101/gr.078212.108.

Hall TA: BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucl Acids Symp Series: 1999. 1999, 95-98.

R-Development Core Team: R: A Language and Environment for Statistical Computing. 2009, Vienna, Austria

Paradis E, Claude J, Strimmer K: APE: analyses of phylogenetics and evolution in R language. Bioinformatics. 2004, 20 (2): 289-289. 10.1093/bioinformatics/btg412.

Charif D, Lobry JR: SeqinR 1.0-2: a contributed package to the R project for statistical computing devoted to biological sequences retrieval and analysis. Structural approaches to sequence evolution: Molecules, networks, populations. 2007, New York: Springer Verlag, 207-232.

Paradis E: pegas: an R package for population genetics with an integrated-modular approach. Bioinformatics. 2009, 26: 419-420.

Stamatakis A, Hoover P, Rougemont J: A rapid bootstrap algorithm for the RAxML web servers. Systematic Biol. 2008, 57 (5): 758-771. 10.1080/10635150802429642.

CIPRES: Cyberinfrastructure for phylogenetic research. [http://www.phylo.org/sub_sections/portal/]

Excouffier L, Smouse PE, Quattro JM: Analysis of molecular variance inferred from metric distances among DNA haplotypes - applications to human mitochondrial DNA restriction data. Genetics. 1992, 131: 479-491.

Kumar S, Dudley J, Nei M, Tamura K: MEGA: A biologist-centric software for evolutionary analysis of DNA and protein sequences. Briefings Bioinformatics. 2008, 9: 299-306. 10.1093/bib/bbn017.

Peakall R, Smouse PE: GenAlE× 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol Ecol Notes. 2006, 6: 288-295. 10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 11 Số 1

Thông tin tác giả