PowerPoint-presentatie

De rol van fylogeografie in evolutiereconstructie
hoe moleculaire gegevens kunnen helpen om de ontstaansgeschiedenis
van soorten te reconstrueren
door
Peter H.H. Weekers
In het kader van de
Vliebergh-Sencie Leergangen Biologie 2005
“Wegwijs in de Biodiversiteit”
17 + 18 augustus 2005
Science Connection
juli 2005
VS-lezing 2005 © PHHW
Overzicht
1. Inleiding en historisch overzicht
2. Moleculaire merkers in de fylogeografie
3. Genetische variatie in de ruimte
4. Genetische variatie in de tijd
5. Toegepaste fylogeografie
overzicht
VS-lezing 2005 © PHHW
WAAROM
komen bepaalde planten en dieren in sommige gebieden
juist wel en in andere gebieden juist niet voor ?
VERKLARINGEN
 ecologische factoren
 omgevingsomstandigheden
 historische gebeurtenissen
vb. geografische locaties huidige
soorten in gematigde gebieden
inleiding 1/3
VS-lezing 2005 © PHHW
FYLOGEOGRAFIE
term in 1987 geïntroduceerd door
John C. Avise
onderzoeksveld dat zich bezig houd met de
uitgangspunten en processen die een rol spelen bij
de geografische verspreiding van afstammings- en
verwantschapslijnen van soorten en populaties
(vooral die op intraspecifieke niveau)
inleiding 2/3
VS-lezing 2005 © PHHW
FYLOGEOGRAFIE
Fylogenie
evolutionaire genetica
van relaties op soort
niveau
breed spectrum van
onderzoek
Genealogie
genetische
afstammingsrelaties
tussen individuen
bijzonder succesvol in het verklaren van hoe de verspreiding van
planten en dieren werd beïnvloed/veroorzaakt door historische
gebeurtenissen, zelfs als die miljoenen jaren geleden plaatsvonden
inleiding 3/3
VS-lezing 2005 © PHHW
Moleculaire merkers voor fylogeografische studies
ZOOLOGISCHE STUDIES
BOTANISCHE STUDIES
merkers in het mitochondrieel DNA
mtDNA veel minder goed bruikbaar
1. mtDNA merkers worden maternaal
overgeërfd
2. ondergaan nagenoeg geen recombinatie
3. zijn gemakkelijk te verkrijgen door
isolatie en purificatie
1. evolutionaire veranderingen in de
nucleotiden sequenties verlopen veel
minder snel
2. wel snelle veranderingen in de rangschikking van de genen
 meest gebruikte merkers nog steeds mtDNA (>80%)
 allozymen beperkt bruikbaar  lage mutatie snelheid, weinig polymorfisme
 toename gebruik van microsatelliet merkers
 toename in chloroplast DNA (cpDNA) studies bij planten
molec. merkers 1/5
VS-lezing 2005 © PHHW.
Waarom voorkeur voor mtDNA merkers ?
1. door PCR mogelijk om mtDNA te amplificeren zonder eerst te zuiveren
2. hoge “copy number” van mtDNA genen  succesvolle PCR op oude stalen
3. grote mutatie snelheid mtDNA  genoeg mutaties in populaties
4. haplotype distributie vooral bepaald door demografische gebeurtenissen
en minder door selectie
5. genetische verschillen tussen populaties in een relatief korte tijd
6. elk haplotype maar een “voorvader” in de vorige generatie  geen
recombinatie tussen mtDNA
Fylogeografische analyse
 verspreiding van haplotypes in kaart brengen
 combineren met gegevens over mutatiesnelheden
geschiedenis van een populatie in ruimte en tijd
molec. merkers 2/5
VS-lezing 2005 © PHHW
Een klassiek voorbeeld (1979)
 de Amerikaanse wangzakrat (Geomys pinetis)
 zuidoosten van de VS (AL, GA, FL)
 RFLP analyse uitgevoerd op het mtDNA
 87 individuen
 6 verschillende restrictie enzymen
 verschillende haplotypes
 berekende mutatie stappen
 verschillende clades
 schematisch maximum parsimony
netwerk van de westelijke clade
molec. merkers 3/5
VS-lezing 2005 © PHHW
De “coalescent” theorie
meest succesvolle conceptuele basis voor het
analyseren van fylogeografische data
distributie van het voorkomen van gemeenschappelijke afstamming
in een fylogenetische boom (“gene tree”) verklaren a.h.v.
1. “genetic drift”
2. migraties
3. veranderingen in populatie grootte
4. selectie
molec. merkers 4/5
VS-lezing 2005 © PHHW
De “coalescent” theorie
afstammingslijnen van haplotypes komen samen (“coalesce”) in
een recente gemeenschappelijke voorouder binnen de populatie
10
40
molec. merkers 5/5
samengaan van mtDNA
samengaan van haplotypes
haplotypes
van nucleaire genen
(geen recombinatie)
(wel recombinatie)
VS-lezing 2005 © PHHW
Fylogeografische analyses
historische oorzaken voor genetische variatie bij soorten in een
tweedimensionale ruimte (bijv. een land of een continent)
 verwantschapsrelaties weergeven in een sterpatroon
 meest frequent aanwezige haplotype het “oudste”
Haplotypes binnen een populatie
 evenwicht tussen mutatie en “genetic drift”
 verlies van haplotypes door “drift”  “lineage sorting”
 snelheid grootst bij kleine populaties  meer “random losses”
 geschatte tijd voor “samensmelting” (“coalescence”)  leeftijd populatie
gen. var. i/d ruimte 1/8
VS-lezing 2005 © PHHW
Science Connection
juli 2005
 (genetische) diversiteit
binnen populaties
 veranderingen in het
leefmilieu (“natural range”)
 aanpassingsvermogen a.g.v.
genetische variabiliteit
Uit: SC - juli 2005
gen. var. i/d ruimte 2/8
VS-lezing 2005 © PHHW.
 kleiner worden van
de populatie
juli 2005
 verlies (genetische)
diversiteit
1. genetische drift
2. bloedverwantschap
 versterking van het
negatief effect
1. verlies allelen
Uit: SC
juli 2005
gen. var. i/d ruimte 3/8
2. meer homozygoten
Uit: SC - juli 2005
VS-lezing 2005 © PHHW
“Vicariance” en dispersie
bepalen de “range”
“vicariance”
van een soort
dispersie
proces waarbij soorten en individuen
vermogen van een soort of populatie
ruimtelijk van elkaar worden
tot gebiedsuitbreiding naar voorheen
gescheiden door gebeurtenissen in
al geoccupeerde gebieden, of
hun natuurlijke omgeving
verspreiding naar nieuwe gebieden
veroorzaakt
flessenhals situatie
(“bottleneck”)
moeten door
beïnvloed de “gene flow”
gen. var. i/d ruimte 4/8
VS-lezing 2005 © PHHW
Het effect van een barrière
 opsplitsing leefgebied  “gene flow” onmogelijk
 gescheiden populaties evolueren onafhankelijk van elkaar
 in gescheiden populaties identieke mutaties onwaarschijnlijk
 nieuwe haplotypes specifiek voor elke populatie
 verlies van bepaalde haplotypes  “lineage sorting”
Ook binnen een regio kunnen er verschillen ontstaan
 populaties ver uit elkaar  “isolation by distance” a.g.v. drift
 fylogeografische patronen via clines  a.g.v. “gene flow”
gen. var. i/d ruimte 5/8
VS-lezing 2005 © PHHW.
Genetische gevolgen van Pleistocene ijstijden
 leefgebieden van vele soorten gefragmenteerd
 overleven ijstijden in geïsoleerde refugia (zuiden van Europa)
 populaties in refugia zijn klein  kleine genetische diversiteit
 genetische differentiatie  “lineage sorting” en spontane mutaties
 rekolonisatie Noord-Europa na laatste ijstijd (18.000-22.000 jaar)
rekolonisatieroutes van de Krasser
(sprinkhaan; Chorthippus parallelus)
vanuit de Zuid Europese refugia
gen. var. i/d ruimte 6/8
VS-lezing 2005 © PHHW.
Fylogeografische grenszones
 postglaciale rekolonisatieprocessen binnen Europa
 overeenkomsten in fylogeografische patronen voor diverse soorten
 niet universeel  verschillende soorten verschillende refugia
 rekolonisatiesnelheid sterk verschillend (rugstreeppad vs. vogels)
 intraspecifieke hybridisatiezones
 grenszone dwars door Scandinavië
 samenvallen hybridisatiezones van de aardmuis, rosse
woelmuis, bosspitsmuis, fitis, tjiftjaf en de mens
 vanuit twee richtingen (Den-Zwe en Lapland)
 genetisch signaal nu nog zichtbaar
 populaties Noord Europa  minder genetische
diversiteit dan die dichter bij de refugia (“bottleneck”)
gen. var. i/d ruimte 7/8
VS-lezing 2005 © PHHW.
Genetische relaties tussen en binnen populaties
 “nested-clade” analyse
 onderscheidt tussen historische en recente gebeurtenissen
 verdeling van afstammingslijnen kan analyseren
 testen van alternatieve fylogeografische hypothesen
 stambomen op basis van relaties tussen haplotypes
 grafische voorstelling van de evolutionaire analyse van de
genetische variatie in de ruimte
 elke lijn een enkele mutatie
 interne “nodes” (0)  afgeleide
haplotypes
 1-, 2-, en 3-staps clades
gen. var. i/d ruimte 8/8
VS-lezing 2005 © PHHW.
Invloed van geologische gebeurtenissen op
biogeografische gebieden
 stijging van land  afsluiten van een zeeverbinding
 stijgen van de zeespiegel  openen van een doorgang
 ontstaan van nieuw land  vulkanische eilanden
Ontstaan van vulkanische eilandketens
 nieuwe eilanden ontstaan aan de ene kant
terwijl ze aan de andere kant verdwijnen 
“volcanic conveyer belt”
 nieuwe eilanden worden vanaf de oudere
eilanden worden gekoloniseerd  stapsteen
model (“island hopping”)
 Drosophila soorten op de Hawaïaanse
eilanden of de mariene en terrestrische
leguanen van de Galápagos archipel
gen. var. i/d tijd 1/3
VS-lezing 2005 © PHHW.
Genetische divergentie geologisch kalibreren
 genetische verschillen (“distance”)
combineren met geologische of fossiele data
 tijdstip berekend waarop soorten divergeren
 snelheid van afstammingslijnen kalibreren
 fylogenetische bomen van tijdschaal voorzien
 meestal complexe analyses
gen. var. i/d tijd 2/3
VS-lezing 2005 © PHHW.
Genetische divergentie in “real time”
 analyses met zowel oud (“ancient”) als nieuw (“vers”) DNA
 hoe ouder het staal hoe slechter het DNA
 mtDNA bijzonder geschikt  hoog “copy number”
 “ideale” stalen  koude en beschutte plaatsen (degradatie)
 meten van divergerende lijnen in “real time”  “ancient DNA”
 Holenbeer (Ursus spelaeus)  uitgestorven (~10.000 jaar)
 gefragmenteerd verspreidingsgebied binnen Europa en W-Azië.
 12 “ancient DNA” stalen  tussen 26.500 en 49.000 jaar
 negen verschillende Europese grotten
 vergeleken met DNA stalen van huidige beren populaties
 ijsbeer en de bruine beer niet strikt gescheiden monofyletische
groepen
 twee verschillende groepen bruine beren; de oostelijke en
westelijke groep
gen. var. i/d tijd 3/3
VS-lezing 2005 © PHHW.
Fylogeografie en taxonomische beslissingen
 classificatie op basis van morfologische kenmerken
 morfologische kenmerken voor meerdere interpretatie vatbaar
 vaak verschillen pas zichtbaar na moleculaire analyses
 niet relevant kenmerken ineen wel degelijk van betekenis
 bijzonder geschikt voor onderzoeken van “cryptische” soorten
 taxonomische beslissingen  over biogeografische regio’s heen
enkele voorbeelden:
•
gewone dwergvleermuis (Pipistrellus pipistrellus) in Europa  twee verschillende
“groepen” (echolokalisatie 45 of 55 kHz)  divergentie 5-10 miljoen jaar geleden
•
twee mossoorten (M. elongata en M. mielichhoferia) in de USA  sterke
morfologische uniformiteit maskeert fylogenetische verwantschapsrelaties
•
verwantschapsrelaties bij olifanten (Loxodonta africana en Elephas maximus)  vijf
evolutionaire afstammingslijnen  drie verschillende clades: (1) bos olifanten van
centraal Afrika, (2) bos en savanne olifanten van west Afrika, (3) savanne olifanten
van oost, zuid en centraal Afrika.
toepassingen 1/4
VS-lezing 2005 © PHHW.
Bepalen van het natuurlijke gebied (“range”) van een soort
 soorten zijn bewust en onbewust
verspreid  varkens, geiten, konijnen
 onbewust ook ander dieren o.a. ratten,
muizen  scheepvaartroutes
 invloed op natuurlijke flora en fauna 
uitsterven inheemse soorten
 fylogeografie  status van een soort;
Uit: SC - juli 2005
inheems of geïntroduceerd ?
 Europese waterkikkers  clade van morfologisch gelijke taxa
 alle in het Engeland voorkomende waterkikkers  geïntroduceerd ?
 fylogeografische studie naar het voorkomen en de verspreiding in Engeland
 populaties uit Noorwegen, Zweden en Norfolk (Engeland)  monomorf
 andere populaties  polymorf (ook de in Engeland geïntroduceerde)
 inheemse Engelse populatie clusterde met de Scandinavische
 geïntroduceerde populatie clusterde met die uit oorsprongsgebied (W-Europa)
 in Engeland twee verschillende populaties aanwezig  populatie in Norfolk
rond 1990 uitgestorven
toepassingen 2/4
VS-lezing 2005 © PHHW
Achterhalen van de oorsprong van geïntroduceerde soorten
 oorsprongspopulatie van een soort bepalen
 brongebied van de invasieve soort kan achterhalen
 Rododendron (Rhododendron ponticum) als sierplant
in de 19e eeuw geïntroduceerd op de Britse Eilanden
 zeer invasieve soort  bedreigt lokale flora
 eerste introductie in 1763  planten uit ZW-Spanje
 later meerdere introducties  Zwarte Zee gebied
 RFLP analyses op 260 planten (alle gebieden)
 vrijwel alle Rododendrons op de Britse eilanden
afkomstig van Iberische populaties
 bovendien 89% van de haplotypes afkomstig uit de
Spaanse regio en 10% uniek voor de Portugese regio
toepassingen 3/4
VS-lezing 2005 © PHHW.
Fylogeografie en adaptieve “traits”
 fylogeografie  geografische distributie van neutrale merkers
 oorsprong en verspreiding van adaptieve eigenschappen onderzoeken
 geografische distributie van gedragskenmerken vergelijken met
fylogeografische patronen
 eigenschappen en fylogeografie zelfde patroon  historische
gebeurtenissen sterkere invloed op evolutie en distributie dan selectie
 twee typen van “flash” communicatie bij Japanse vuurvliegjes
 RFLP analyse COII gen  19 verschillende haplotypes, elk
specifiek voor bepaalde gebied
 3 evolutionaire lijnen (clade I, II, III)
 scheiding type I en II  breukzone genaamd Fossa Magna
 grens tussen III en I + II  zeestraat tussen eilanden K + HS
 scheiding tussen de populatie  “vicariance”
 indicaties dat splitsing tussen beide “flash” types is ontstaan in
het Plioceen (tussen de 4,6 en 2.0 miljoen jaar geleden)
toepassingen 4/4
VS-lezing 2005 © PHHW.
Fylogeografie en
evolutiereconstructie ……
Bedankt voor uw aandacht
Slot 1/1
VS-lezing 2005 © PHHW
Extra 1/3
VS-lezing 2005 © PHHW
Extra 2/3
VS-lezing 2005 © PHHW
Extra 3/3
VS-lezing 2005 © PHHW