Valinnan tasapainottaminen ja transspesifiset polymorfismit

Guo ja kollegat vertasivat näiden kahden lajin koko genomin vaihtelua TSP:iden tunnistamiseksi. Vertailtavien geenien suuren määrän vuoksi he käyttivät useita tiukkoja suodatusvaiheita väärien positiivisten tulosten vähentämiseksi. (Tällaiset väärät positiiviset tulokset, joissa TSP:t olisivat syntyneet muiden evoluutioprosessien eikä tasapainottavan valinnan tuloksena, vääristäisivät käsitystämme tasapainottavan valinnan laajuudesta ja merkityksestä genomin evoluutiossa). Jotta vältettäisiin geenikopioiden (paralogien) välisen vaihtelun virheellinen tulkinta yksittäisen lokuksen polymorfismiksi, he keskittyivät 16 014 konservoituneeseen, ortologiseen, yhden kopion geenipariin, jotka sisälsivät 1,1 miljoonaa bi-allelista SNP:tä A. thalianassa ja 0,45 miljoonaa bi-allelista SNP:tä C. rubellassa. Näistä polymorfisista kohdista 8535 SNP:tä osoitti lajien välillä jaettuja SNP-pareja (shSNP). Koska koodaavilla alueilla olevat linjaukset ovat luotettavampia kuin ei-koodaavissa sekvensseissä olevat, kirjoittajat säilyttivät vain noin kolmanneksen koodaavilta alueilta löytyneistä korkealaatuisista shSNP:istä, jotka vaikuttivat 433 geeniin.

Nämä shSNP:t saattavat heijastaa neutraaleja evoluutioprosesseja, kuten esivanhempien polymorfismien epätäydellistä sukulinjalajittelua tai tasapainottavan valinnan sijasta toistuvaa mutaatiota. Ymmärtääkseen neutraalien tekijöiden mahdollisuuksia ylläpitää yhteisiä polymorfismeja Guo ja kollegat päättelivät A. thalianan ja C. rubellan demografisen historian käyttämällä koalesenssisimulaatioita. Molemmissa lajeissa havaittiin historiallisia populaatiokoon pienenemisiä (pullonkauloja) sen jälkeen, kun ne olivat eronneet yhteisestä esi-isästään. Lisäksi nämä analyysit osoittavat, että näiden kahden lajin esi-isien välillä tapahtui muinaista geenivirtaa. Neutraalin coalescent-teorian ja arvioitujen demografisten parametrien perusteella epätäydellisen sukulinjalajittumisen todennäköisyys (eli se, että kaksi A. thalianan ja C. rubellan alleelia ei ole sulautunut yhteen lajinmuodostuksen jälkeisenä aikana) on suuruusluokkaa 10-9. Tämä johtuu siitä, että kaksi A. thalianan ja C. rubellan alleelia ei ole sulautunut yhteen lajinmuodostuksen jälkeisenä aikana. Tämä merkitsee, että < 1 shSNP säilyisi linjassa olevilla genomialueilla pelkän geneettisen ajelehtimisen seurauksena. Tämä arvioitu todennäköisyys pätee edelleen lajin sisäisen itsekasvun ja populaatiorakenteen kanssa, eikä esi-isien geenivirta todennäköisesti vaikuta siihen. Näin ollen shSNP:iden olemassaoloa ei voida selittää pelkällä geneettisellä ajelehtimisella, ja ne todennäköisesti säilyvät tasapainottavan valinnan avulla.

Neutraaliuden vallitessa esi-isien polymorfismia kantavat haplotyypit voivat hajota rekombinaation seurauksena, ja ei-rekombinoivien alleelien tunnistaminen on vaikeaa kauan sitten toisistaan eronneista lajeista. Sitä vastoin tasapainottava valinta voi tukahduttaa rekombinaation valittujen paikkojen ympärillä, ja lyhyet esivanhempien segmentit, jotka sisältävät useita toisiinsa liittyviä variantteja, saattavat säilyä, kunnes kaikki sukulinjat sulautuvat yhteiseen esi-isäänsä. Tässä yhteydessä muinaiset tasapainoiset polymorfismit voivat ryhmittyä pikemminkin alleelityypin kuin lajin mukaan (kuvat 1a ja b), mikä on osoitus tasapainottavasta valinnasta. A. thalianan ja C. rubellan rekombinaationopeuden 3,6 cM/Mb perusteella Guo ja kollegat arvioivat, että vanhat, neutraalisti kehittyvät segmentit olisivat vain muutaman emäsparin pituisia. Sen vuoksi he skannasivat 100-bp:n liukuikkunoita 433 tunnistetun geeniehdokkaan läpi löytääkseen sekvenssialueita, jotka ovat klusteroituneet pikemminkin alleelien kuin lajien mukaan (kuva 1b). Väärien positiivisten tulosten mahdollisuuden vähentämiseksi sovellettiin useita suodatusvaiheita.

Transspesifisten polymorfismien alkuperä ja tunnistaminen yhden kopion lokuksessa. a Aika kulkee ylhäältä alas, ja lajin sisäinen variaatio on suljettu reunustavilla mustilla viivoilla. Ennen lajinmuodostuksen alkamista esi-isälajin sisällä erottuu kaksi alleelia (violetit viivat), ja kummastakin kopiosta syntyy pari jälkeläisalleelia (kaksi sinistä tai kaksi punaista). Lajinmuodostuksen edetessä nämä jälkeläisalleelit periytyvät tytärlajeihin, ja lopulta yksilöiden välillä esiintyy nykyaikaista alleelipolymorfismia. (Kuten koalesenssianalyyseille on tyypillistä, vain ne sukulinjat, jotka ovat edustettuina nykyaikaisessa näytteessämme, on esitetty.) b Alleelifylogenia, joka osoittaa nykyaikaisten, sekvensoitujen alleelien suhteet yhdessä yhden kopion geenissä. Sinisessä kladissa Arabidopsis thalianan alleelit ovat läheisempää sukua Capsella rubellan sinisille alleeleille kuin A. thalianan punaisille alleeleille transspesifisen polymorfismin vuoksi. Kuva mukailtu lähteestä Wu et al.

Guo ja kollegat tunnistivat sen jälkeen viidestä geenistä haplotyyppejä TSP-ehdokkaiksi pitkäaikaisen tasapainottavan valinnan alla. Nämä viisi geeniä ovat yksikopioisia molemmissa lajeissa, ja simulaatiotutkimukset vahvistivat, että tämä kuvio olisi hyvin epätodennäköinen neutraalissa evoluutiossa, mikä viittaa siihen, että nämä viisi TSP:tä säilyvät tasapainottavan valinnan avulla. Tasapainottavaa valintaa tukivat myös suuri nukleotidien monimuotoisuus ja keskitaajuinen polymorfismi näillä alueilla, kuten muinaisilta tasapainotetuilta polymorfismeilta odotetaan. Nämä viisi kandidaattigeeniä liittyvät erilaisiin biologisiin ja biokemiallisiin prosesseihin, kuten vasteeseen bioottiseen ja abioottiseen stressiin.

Lopuksi Guo ja kollegat tutkivat näiden viiden kandidaattigeenin roolia sopeutumisessa erilaisiin elinympäristöihin. He keskittyivät A. thalianaan, koska tämän lajin geneettisestä, maantieteellisestä ja ekologisesta vaihtelusta on runsaasti tietoa. Välttääkseen historiallisen geneettisen eroavuuden aiheuttaman sekaannuksen he tarkastelivat neljää geeniä, jotka olivat riippumattomia populaatiohistoriasta ja jotka korreloivat ekologisen eroavuuden kanssa, mikä viittaa paikalliseen sopeutumiseen. Ympäristön kapeikkojen mallintaminen vahvisti, että näiden neljän geenin kaksi alleeliryhmää asettui merkittävästi erilaisiin kapeikkoihin, ja ekspressioanalyysit havaitsivat erilaiset ekspressiotasot haplotyyppiryhmien välillä yhdessä näistä neljästä geenistä. Yhdessä nämä tulokset osoittavat, että tasapainottavan valinnan kohteena olevat geenit ovat saattaneet vaikuttaa sopeutumiseen A. thalianassa.