Journal of the Royal Society Interface

Clonal reproduction characterizes a wide range of species including clonal plants in terrestrial and aquatic ecosystems, and clonal microbes such as bacteria and parasitic protozoa, with a key role in human health and ecosystem processes. Clonal organisms present a particular challenge in population genetics because, in addition to the possible existence of replicates of the same genotype in a given sample, some of the hypotheses and concepts underlying classical population genetics models are irreconcilable with clonality. The genetic structure and diversity of clonal populations were examined using a combination of new tools to analyse microsatellite data in the marine angiospermPosidonia oceanica. These tools were based on examination of the frequency distribution of the genetic distance among ramets, termed the spectrum of genetic diversity (GDS), and of networks built on the basis of pairwise genetic distances among genets. Clonal growth and outcrossing are apparently dominant processes, whereas selfing and somatic mutations appear to be marginal, and the contribution of immigration seems to play a small role in adding genetic diversity to populations. The properties and topology of networks based on genetic distances showed a ‘small-world’ topology, characterized by a high degree of connectivity among nodes, and a substantial amount of substructure, revealing organization in subfamilies of closely related individuals. The combination of GDS and network tools proposed here helped in dissecting the influence of various evolutionary processes in shaping the intra-population genetic structure of the clonal organism investigated; these therefore represent promising analytical tools in population genetics.

Bệnh lý động mạch chủ là một nguyên nhân quan trọng gây tử vong ở các quốc gia phát triển. Các hình thức phổ biến nhất của bệnh lý động mạch chủ bao gồm phình động mạch, bóc tách, tắc nghẽn do xơ vữa động mạch và sự cứng lại do lão hóa. Cấu trúc vi mô của mô động mạch chủ đã được nghiên cứu với sự quan tâm lớn, vì việc thay đổi số lượng và/hoặc kiến trúc của các sợi kết nối (elastin và collagen) trong thành động mạch chủ, trực tiếp ảnh hưởng đến tính đàn hồi và sức mạnh, có thể dẫn đến những thay đổi cơ học và chức năng liên quan đến những tình trạng này. Bài viết tổng quan này tóm tắt những tiến bộ trong việc đặc trưng hóa cấu trúc vi mô của các sợi kết nối trong thành động mạch chủ người trong quá trình lão hóa và bệnh lý, đặc biệt nhấn mạnh đến động mạch chủ ngực lên và động mạch chủ bụng, nơi mà các hình thức bệnh lý động mạch chủ phổ biến nhất thường xảy ra.

Tỷ lệ sinh sản,R₀, là một đại lượng cơ bản trong dịch tễ học, xác định sự gia tăng ban đầu của một bệnh truyền nhiễm trong một quần thể vật chủ nhạy cảm. Trong hầu hết các mô hình dịch tễ, có một giá trị cụ thể củaR₀, được gọi là ngưỡng dịch tễ, trên đó các dịch bệnh có thể xảy ra, nhưng dưới ngưỡng đó các dịch bệnh không thể xảy ra. Khi độ phức tạp của một mô hình dịch tễ tăng lên, độ khó tính toán ngưỡng dịch tễ cũng tăng theo. Ở đây, chúng tôi tính toán tỷ lệ sinh sản và ngưỡng dịch tễ cho các dịch bệnh nhạy cảm – nhiễm – hồi phục (SIR) trong một lớp mạng ngẫu nhiên động đơn giản. Như trong hầu hết các mô hình dịch tễ học,R₀ phụ thuộc vào hai tham số dịch tễ cơ bản, đó là tỷ lệ truyền và tỷ lệ hồi phục. Chúng tôi nhận thấy rằngR₀ cũng phụ thuộc vào các tham số xã hội, cụ thể là phân phối bậc mô tả sự không đồng nhất trong số lượng tiếp xúc đồng thời và tham số trộn lẫn chỉ ra tốc độ mà các tiếp xúc được bắt đầu và kết thúc. Chúng tôi chỉ ra rằng sự trộn lẫn xã hội làm thay đổi cơ bản cảnh quan dịch tễ học và do đó, các xấp xỉ mạng tĩnh của các mạng động có thể không đủ.

Bề mặt cây có phủ lớp sáp ba chiều (3D) đã được biết đến là làm giảm mạnh sự bám dính của côn trùng, dẫn đến bề mặt trơn trượt. Ngoài các lớp sáp biểu bì 3D, các nếp gấp biểu bì là một vi cấu trúc phổ biến được tìm thấy trên bề mặt cây, điều này chưa được nghiên cứu định lượng liên quan đến ảnh hưởng của chúng đối với sự bám dính của côn trùng. Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm kéo với bọ khoai tây Colorado trên năm bề mặt cây có nếp gấp biểu bì với độ lớn khác nhau. Để so sánh, chúng tôi cũng kiểm tra (i) bề mặt cây bằng phẳng và (ii) bề mặt cây có lớp sáp biểu bì 3D. Lực kéo trên các bề mặt có nếp gấp biểu bì vừa phải, khoảng 0.5 µm cả về chiều cao và độ dày, với khoảng cách từ 0.5–1.5 µm, đã giảm trung bình 88 phần trăm so với bề mặt cây bằng phẳng. Lực kéo giảm ở cùng mức độ với các bề mặt cây được phủ sáp biểu bì 3D. Để xác định đặc điểm bề mặt, chúng tôi đã thực hiện đo góc tiếp xúc tĩnh, điều này cho thấy tác động mạnh mẽ của các nếp gấp biểu bì đối với khả năng ướt của bề mặt. Các bề mặt có nếp gấp biểu bì lớn hơn cho thấy góc tiếp xúc cao hơn, đạt đến mức siêu kỵ nước. Chúng tôi giả thuyết rằng các nếp gấp biểu bì làm giảm sự bám dính của côn trùng chủ yếu do độ thô quyết định, giảm diện tích tiếp xúc thực giữa bề mặt và thiết bị bám dính của côn trùng.

Các tính chất quang học của bề mặt thực vật được xác định mạnh mẽ bởi hình dạng của tế bào biểu bì và bởi sự sắp đặt của lớp cutin trên bề mặt tế bào. Sự kết hợp của các hình dạng tế bào cụ thể với các cấu trúc ở quy mô nano nhất định có thể tạo ra một loạt các hiệu ứng quang học. Có lẽ điều nổi bật nhất là sự phát triển của các rãnh có trật tự của lớp cutin trên bề mặt tế bào cánh hoa phẳng có thể tạo ra các cấu trúc giống như lưới tán xạ. Một lưới tán xạ là một trong những cơ chế được biết đến để tạo ra 'màu sắc cấu trúc', mà mạnh mẽ và tinh khiết hơn so với màu hóa học và có thể xuất hiện ánh sáng cầu vồng. Chúng tôi khám phá khái niệm rằng hiện tượng gãy cơ học của lớp cutin trên bề mặt biểu bì của cánh hoa có thể giải thích sự hình thành các rãnh cutin, sử dụng một mô hình lý thuyết mà xem xét sự phát triển của các ứng suất nén trong lớp cutin phát sinh từ sự cạnh tranh giữa sự giãn nở dị hướng của các tế bào biểu bì và sự sản xuất cutin đồng hướng. Dự đoán từ mô hình làm rõ các mẫu cutin, bao gồm cả những mẫu có trật tự dài có khả năng tạo ra hiện tượng ánh sáng cầu vồng, cho một loạt các loài hoa khác nhau.

Kể từ năm 1998, virus viêm miệng lợn (BTV), gây ra bệnh bluetongue, một căn bệnh truyền nhiễm không lây lan qua côn trùng ở động vật nhai lại, đã mở rộng về phía bắc tại Châu Âu trong một loạt các cuộc xâm nhập chưa từng thấy, cho thấy có nguy cơ đối với ngành chăn nuôi gia súc có giá trị lớn tại Vương quốc Anh. Số sinh sản cơ bản,R₀, cung cấp một công cụ mạnh mẽ để đánh giá mức độ rủi ro mà một căn bệnh gây ra. Trong bài báo này, chúng tôi tính toán R₀ cho BTV trong một quần thể gồm hai loài chủ, bò và cừu. Các ước lượng cho từng tham số ảnh hưởng đến R₀ được thu thập từ tài liệu đã công bố, sử dụng những cái có liên quan đến tình hình tại Vương quốc Anh bất cứ khi nào có thể. Hơn nữa, đã bao gồm sự phụ thuộc nhiệt độ rõ ràng cho các tham số mà nó đã được định lượng. Phân tích độ không chắc chắn và độ nhạy dựa trên mẫu hypercube Latin và hệ số tương quan hạng một phần đã xác định nhiệt độ, xác suất truyền từ chủ sang véc-tơ và tỷ lệ véc-tơ so với chủ là những yếu tố quan trọng nhất quyết định quy mô của R₀. Tầm quan trọng của nhiệt độ phản ánh thực tế rằng nó ảnh hưởng đến nhiều quá trình liên quan đến sự lây truyền của BTV và, đặc biệt, tỷ lệ cắn, thời gian ủ bệnh bên ngoài và tỷ lệ tử vong của véc-tơ.

Số sinh sản,, được định nghĩa là số trung bình các trường hợp thứ cấp được tạo ra bởi một ca mắc chính, là một đại lượng quan trọng để xác định cường độ các biện pháp can thiệp cần thiết để kiểm soát một dịch bệnh. Các ước lượng hiện tại về số sinh sản cho cúm mùa cho thấy sự biến động lớn và, đặc biệt, các giới hạn không chắc chắn cho cho chủng đại dịch từ năm 1918 đến 1919 chỉ được đưa ra trong một vài nghiên cứu gần đây và vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn. Ở đây, chúng tôi ước lượng bằng cách sử dụng thông báo ca hàng ngày trong đợt dịch cúm mùa thu (cúm Tây Ban Nha) tại thành phố San Francisco, California, từ năm 1918 đến 1919. Để làm rõ ảnh hưởng từ việc áp dụng các phương pháp ước lượng khác nhau, bốn phương pháp khác nhau đã được sử dụng: ước lượng sử dụng tỷ lệ tăng trưởng hàm mũ đầu tiên (Phương pháp 1), một mô hình dễ dàng susceptible–exposed–infectious–recovered (SEIR) (Phương pháp 2), một mô hình SEIR phức tạp hơn tính đến các trường hợp không triệu chứng và nhập viện (Phương pháp 3), và một mô hình stochatic susceptible–infectious–removed (SIR) với ước lượng Bayesian (Phương pháp 4) xác định số sinh sản hiệu quả tại một thời điểm nhất định t. Ba phương pháp đầu tiên phù hợp với giai đoạn tăng trưởng hàm mũ ban đầu của dịch bệnh, điều này đã được xác định rõ ràng thông qua bài kiểm tra độ phù hợp. Hơn nữa, Phương pháp 3 cũng được phù hợp với toàn bộ đường cong dịch bệnh. Trong khi đó, các giá trị của thu được bằng cách sử dụng ba phương pháp đầu tiên dựa trên giai đoạn tăng trưởng ban đầu được ước lượng lần lượt là 2.98 (Khoảng tin cậy (CI) 95%: 2.73, 3.25), 2.38 (2.16, 2.60) và 2.20 (1.55, 2.84), còn phương pháp thứ ba với toàn bộ đường cong dịch bệnh mang lại giá trị 3.53 (3.45, 3.62). Giá trị lớn hơn này có thể là một sự ước lượng quá mức do độ phù hợp với giai đoạn hàm mũ ban đầu trở nên xấu hơn khi chúng tôi điều chỉnh mô hình cho toàn bộ đường cong dịch bệnh, và vì mô hình được thiết lập như một hệ thống tự trị mà không có các giả định thay đổi theo thời gian. Những ước lượng này đã cho thấy độ ổn định trước sự không chắc chắn của các tham số, nhưng ước lượng hàm mũ lý thuyết (Phương pháp 1) cho thấy sự không chắc chắn rộng. Phương pháp 4 đã cung cấp một số sinh sản hiệu quả tối đa có khả năng 2.10 (1.21, 2.95) sử dụng 17 ngày dịch bệnh đầu tiên, điều này nhất quán với các ước lượng thu được từ các phương pháp khác và một ước lượng là 2.36 (2.07, 2.65) cho toàn bộ đợt dịch mùa thu. Chúng tôi kết luận rằng số sinh sản cho cúm đại dịch (cúm Tây Ban Nha) ở cấp độ thành phố có thể được đánh giá một cách đáng tin cậy nằm trong phạm vi 2.0–3.0, một sự đồng thuận rộng với các ước lượng trước đó sử dụng dữ liệu khác nhau.

Chúng tôi trình bày một phương pháp thống kê mới để phân tích dữ liệu chuỗi thời gian dịch tễ. Một khó khăn lớn trong việc suy diễn là (i) quá trình truyền nhiễm tiềm tàng chỉ được quan sát một phần và (ii) các đại lượng quan sát được còn bị tổng hợp theo thời gian. Chúng tôi phát triển một chiến lược tăng cường dữ liệu để giải quyết những vấn đề này và giới thiệu một quá trình khuếch tán giả lập quá trình dịch tễ nhạy cảm - lây nhiễm - đã được loại bỏ (SIR), nhưng dễ quản lý hơn về mặt phân tích. Trong khi các phương pháp dựa trên mô hình rời rạc yêu cầu các quá trình dịch tễ và thu thập dữ liệu có các thang thời gian tương tự, phương pháp của chúng tôi dựa trên một mô hình liên tục, không bị ràng buộc bởi hạn chế đó. Sử dụng dữ liệu mô phỏng, chúng tôi phát hiện rằng tất cả các tham số của mô hình SIR, bao gồm thời gian phát sinh, đều được ước lượng chính xác nếu khoảng thời gian quan sát ít hơn 2.5 lần thời gian phát sinh của bệnh. Các mô hình TSIR rời rạc trước đây đã không thể ước lượng thời gian phát sinh, do họ giả định rằng thời gian phát sinh bằng với khoảng thời gian quan sát. Tuy nhiên, chúng tôi không thể ước lượng thời gian phát sinh của bệnh sởi một cách chính xác từ dữ liệu lịch sử. Điều này chỉ ra rằng các mô hình đơn giản giả định sự trộn lẫn đồng nhất (thậm chí với cấu trúc tuổi) kiểu mà các mô hình dịch tễ học toán học thường dùng chưa nắm bắt được những đặc điểm chính của dịch bệnh trong các quần thể lớn.

Đường dẫn im lặng RNA cấu thành một cơ chế phòng thủ được bảo tồn cao ở sinh vật nhân chuẩn, đặc biệt là ở thực vật, nơi nguyên tắc hoạt động cơ bản dựa vào hành động ức chế được kích hoạt bởi sự hiện diện của RNA hai chuỗi trong tế bào. Hệ thống miễn dịch này thực hiện việc ức chế sau phiên mã các mRNA bất thường hoặc RNA virus bằng cách sử dụng các RNA can thiệp nhỏ (siRNAs) được nhắm đến mục tiêu theo cách cụ thể về trình tự. Tuy nhiên, virus đã phát triển các chiến lược để thoát khỏi sự giám sát im lặng trong khi thúc đẩy sự tái bản của chúng. Nhiều virus mã hóa các protein ức chế tương tác với các yếu tố khác nhau của đường dẫn im lặng RNA và chặn nó. Các chất ức chế khác nhau không có liên quan về phát sinh loài cũng như cấu trúc và cũng khác nhau về cơ chế hoạt động của chúng. Ở đây, chúng tôi áp dụng một cách tiếp cận thiết kế điều khiển mô hình để hiểu sự tiến hóa của các protein ức chế và, đặc biệt, lý do tại sao các chất ức chế virus lại ưu tiên nhắm vào một số thành phần của đường dẫn im lặng. Chúng tôi đã phân tích ba chiến lược được đặc trưng bởi các nguyên tắc thiết kế khác nhau: tái bản trong sự vắng mặt của một chất ức chế, các chất ức chế nhắm vào thành phần protein đầu tiên của đường dẫn và các chất ức chế nhắm vào siRNA. Kết quả của chúng tôi làm sáng tỏ câu hỏi liệu một virus có phải chọn dành nhiều thời gian cho phiên mã hay cho dịch mã và bước nào sẽ là bước tối ưu của đường dẫn im lặng để được các chất ức chế nhắm đến. Ngoài ra, chúng tôi thảo luận về các hệ quả tiến hóa của những nguyên tắc thiết kế như vậy.

Các sinh vật không xác định đã nhận được sự chú ý tương đối ít trong sinh thái học lý thuyết và vẫn còn nhiều điều cần hiểu về nguồn gốc và hậu quả của cấu trúc cộng đồng. Nấm bao gồm một vương quốc sống hoàn chỉnh và tiêu biểu cho hình thức tăng trưởng không xác định. Trong khi các tương tác đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc cộng đồng của các sinh vật không xác định, đến nay phần lớn kiến thức của chúng ta liên quan đến nấm đến từ việc quan sát kết quả tương tác giữa hai loài trong các thí nghiệm arena hai chiều. Các tương tác trong môi trường tự nhiên phức tạp hơn và cái nhìn sâu hơn sẽ được hưởng lợi từ sự tích hợp chặt chẽ hơn giữa lý thuyết và thực nghiệm. Điều này yêu cầu một khuôn khổ mô hình có khả năng liên kết kiểu gen và môi trường với cấu trúc và chức năng cộng đồng. Hướng tới điều đó, chúng tôi trình bày một mô hình lý thuyết phản ánh các kết quả tương tác quan sát được giữa các thuộc địa nấm. Các giả thuyết cơ bản của mô hình cho rằng kết quả tương tác là một hệ quả phát sinh từ các quá trình đơn giản và rất cục bộ quyết định tốc độ hấp thụ và tái phân phối tài nguyên, chi phí trao đổi chất của việc sản xuất các hợp chất đối kháng và vận chuyển tài nguyên nội bộ không theo cục bộ. Mô hình có thể được sử dụng để nghiên cứu các hệ thống nhiều thuộc địa tương tác và do đó cung cấp một nền tảng mà từ đó có thể xây dựng các mối liên hệ giữa hành vi ở quy mô cá thể và chức năng ở quy mô cộng đồng trong các môi trường phức tạp.