Echilibrarea selecției și polimorfismele trans-specifice

Guo și colegii săi au comparat variația întregului genom al celor două specii pentru a identifica TSP-urile. Din cauza numărului mare de gene comparate, ei au folosit o serie de etape de filtrare riguroase pentru a reduce falsurile pozitive. (Astfel de falsuri pozitive, în care TSP-urile au fost generate de alte procese evolutive mai degrabă decât de selecția de echilibrare, ar induce în eroare înțelegerea noastră cu privire la amploarea și importanța selecției de echilibrare în evoluția genomului). Pentru a evita interpretarea eronată a variației dintre copiile genelor (paralogi) ca polimorfisme la un singur locus, ei s-au concentrat asupra a 16 014 perechi de gene conservate, ortologe, cu o singură copie, care conțineau 1,1 și 0,45 milioane de SNP bi-alelice în A. thaliana și, respectiv, C. rubella. Printre aceste situri polimorfe, 8535 SNP au prezentat perechi de SNP partajate (shSNP) între specii. Deoarece alinierile din regiunile codificatoare sunt mai fiabile decât cele din secvențele necodificatoare, autorii au reținut doar aproximativ o treime din shSNP de înaltă calitate găsite în regiunile codificatoare, afectând 433 de gene.

Aceste shSNP ar putea reflecta procese evolutive neutre, cum ar fi sortarea incompletă a polimorfismelor strămoșești pe linie de descendență sau mutații recurente în loc de selecție de echilibrare. Pentru a înțelege potențialul factorilor neutri de a menține polimorfismele partajate, Guo și colegii săi au dedus istoria demografică a A. thaliana și C. rubella folosind simulări coalescente. S-au detectat reduceri istorice ale dimensiunii populației (bottlenecks) la ambele specii în urma divergenței de la strămoșul lor comun. În plus, aceste analize indică faptul că a existat un flux genetic străvechi între strămoșii acestor două specii. Pe baza teoriei coalescenței neutre și a parametrilor demografici estimați, probabilitatea de sortare incompletă a neamului (adică faptul că două alele de A. thaliana și C. rubella nu au fuzionat în intervalul de timp de la speciație) este de ordinul 10-9. Acest lucru implică faptul că < 1 shSNP ar fi reținut în regiunile genomice aliniate doar în condițiile unei derive genetice. Această probabilitate estimată se aplică în continuare în cazul autoînmulțirii și al structurii populației în cadrul speciilor și este puțin probabil să fie influențată de fluxul genetic ancestral. Prin urmare, existența shSNP-urilor nu poate fi explicată doar prin deriva genetică, iar acestea sunt probabil menținute prin selecție de echilibrare.

În condiții de neutralitate, haplotipurile purtătoare ale polimorfismului ancestral pot fi fragmentate ca urmare a recombinării și este dificil să se identifice alele nerecombinante pentru speciile care au deviat cu mult timp în urmă. În schimb, selecția de echilibrare poate suprima recombinarea în jurul situsurilor selectate, iar segmentele ancestrale scurte care adăpostesc mai multe variante legate ar putea persista până când toate liniile genealogice se unesc la strămoșul lor comun. În acest context, polimorfismele antice echilibrate pot fi grupate în funcție de tipul de alelă mai degrabă decât de specie (Fig. 1a și b), un indiciu al selecției de echilibrare. Pe baza unei rate de recombinare de 3,6 cM/Mb pentru A. thaliana și C. rubella, Guo și colegii estimează că segmentele vechi, cu evoluție neutră, ar avea o lungime de doar câteva perechi de baze. Prin urmare, ei au scanat ferestre glisante de 100 de pb în cele 433 de gene candidate identificate pentru a găsi regiuni de secvențe care sunt grupate în funcție de alele mai degrabă decât de specii (Fig. 1b). Pentru a reduce șansele de falsuri pozitive, au fost aplicate o serie de etape de filtrare.

Originea și identificarea polimorfismelor trans-specifice la un locus cu o singură copie. a Timpul se derulează de sus în jos, iar variația în cadrul unei specii este delimitată de liniile negre flancate. Înainte de declanșarea speciației, două alele segregă în cadrul speciei ancestrale (linii mov), iar fiecare copie dă naștere unei perechi de alele descendente (două albastre sau două roșii). Pe măsură ce speciația avansează, aceste alele descendente sunt moștenite în speciile fiice și, în cele din urmă, există un polimorfism alelic modern între indivizi. (Așa cum este tipic în analizele de coalescență, sunt arătate doar neamurile care sunt reprezentate în eșantionul nostru modern). b O filogenie a alelelor care arată relațiile dintre alelele moderne, secvențiate la o genă cu o singură copie. În clada albastră, alelele din Arabidopsis thaliana sunt mai strâns legate de alelele albastre din Capsella rubella decât de alelele roșii din A. thaliana din cauza polimorfismului trans-specific. Figura adaptată după Wu et al.

Guo și colegii săi au identificat apoi haplotipuri din cinci gene ca TSP-uri candidate în cadrul selecției de echilibrare pe termen lung. Aceste cinci gene au o singură copie în ambele specii, iar studiile de simulare au confirmat faptul că acest model ar fi foarte puțin probabil în cazul unei evoluții neutre, sugerând că aceste cinci TSP sunt menținute prin selecție de echilibrare. Selecția de echilibrare a fost, de asemenea, susținută de diversitatea mare a nucleotidelor și de polimorfismul de frecvență intermediară în aceste regiuni, așa cum era de așteptat pentru polimorfismele echilibrate vechi. Cele cinci gene candidate sunt asociate cu diferite procese biologice și biochimice, inclusiv răspunsul la stresul biotic și abiotic.

În cele din urmă, Guo și colegii săi au examinat rolurile acestor cinci gene candidate în adaptarea la habitate divergente. Ei s-au concentrat pe A. thaliana datorită informațiilor extinse privind variația genetică, geografică și ecologică la această specie. Pentru a evita confuzia cu divergența genetică istorică, ei au luat în considerare patru gene care erau independente de istoricul populației și care s-au corelat cu divergența ecologică, sugerând o adaptare locală. Modelarea nișei de mediu a confirmat faptul că două grupuri alelice ale celor patru gene au ocupat nișe semnificativ diferite, iar analizele de expresie au detectat niveluri de expresie diferite între grupurile de haplotipuri la una dintre cele patru gene. Luate împreună, aceste rezultate indică faptul că genele supuse selecției de echilibrare ar fi putut contribui la adaptarea la A. thaliana.

.