On the Role of Natural Selection in Genetic Divergence of Migration-Coupled Populations. Frequency-Dependent Selection

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

This article proceeds with the study of the mechanisms of primary genetic divergence of migratory-coupled populations. The modeling is based on the experiment performed by Yu.P. Altukhov and co-authors with box populations of Drosophila melanogaster. This experiment demonstrated the primary divergence of the genetic structures of the subpopulation for two loci – markers of genetic diversity (α-GDH and esterase-6). Previously, we showed that disruptive selection acted with a high probability for the α-GDH locus in the experimental system, which ensured the maintenance of the observed primary genetic divergence. This work is devoted to identifying the mechanisms that contributed to the primary genetic divergence for the esterase-6 locus. We analyzed mathematical models with discreet time for the dynamics of allele frequencies in a large panmictic population and in a system of 30 local migratory-coupled populations. Comparison of the simulation modeling results with the experimental ones allows us to conclude that, with a high probability, in the experimental population system under consideration, frequency-dependent selection at the esterase-6 locus acted against the background of density-dependent selection. With uniform selection in subpopulations connected by small migrations, this type of selection is shown to promote divergence, and genetic divergences in neighboring populations are significantly more pronounced than they could be under conditions of genetic drift.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

O. Zhdanova

Institute for Automation and Control Processes of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: axanka@iacp.dvo.ru
Rússia, Vladivostok, 690041

E. Frisman

Complex Analysis and Regional Problems Institute of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: frisman@mail.ru
Rússia, Birobidzhan, 679016

Bibliografia

  1. Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. О генетической дивергенции миграционно-связанных популяций: современное моделирование по результатам экспериментов Ю.П. Алтухова с соавторами // Генетика. 2023. Т. 59. № 6. С. 708–717. https://doi.org/10.31857/S0016675823060139
  2. Алтухов Ю.П., Бернашевская А.Г. Экспериментальное моделирование динамики генных частот в системе полуизолированных популяций // ДАН СССР. 1978. Т. 238. № 3. С. 712–714.
  3. Алтухов Ю.П., Бернашевская А.Г., Милишников А.Н., Новикова Т.А. Экспериментальное моделирование генетических процессов в популяционной системе Drosophila melanogaster, соответствующей кольцевой ступенчатой модели. Сообщение I. Обоснование подхода и особенности локальной дифференциации частот аллелей α-глицерофосфатдегидрогеназы и эстеразы-6 // Генетика. 1979. Т. 15. № 4. С. 646.
  4. Алтухов Ю.П., Бернашевская А.Г. Экспериментальное моделирование генетических процессов в популяционной системе Drosophila melanogaster, соответствующей кольцевой ступенчатой модели. Cообщение 2. Cтабильность аллельного состава и периодическая зависимость изменчивости частот аллелей от расстояния // Генетика. 1981. Т. 17. № 6. С. 1052–1059.
  5. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. М.: Академкнига, 2003. 431 с.
  6. Yosida T.H., Tsuchiya K., Moriwaki K. Karyotypic differences of black rats, Rattus rattus, collected in various localities of East and Southeast Asia and Oceania // Chromosoma. 1971. V. 33. № 3. P. 252–267.
  7. Новоженов Ю.И., Береговой В.Е., Хохоткин М.И. Обнаружение границ элементарных популяций у полиморфных видов по частоте встречаемости форм. // Проблемы эволюции. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1973. Т. 3. С. 252–260.
  8. Русина Л.Ю., Фирман Л.А., Скороход О.В., Гилёв А.В. Географическая и хронографическая изменчивость окраски в популяции Polistes gallicus (Linnaeus, 1767) (Hymenoptera, Vespidae) // Кавказ. энтомол. бюл. 2005. Т. 1. № 2. С. 179–188.
  9. Гордеева Н.В., Салменкова Е.А., Алтухов Ю.П. Исследование генетической дивергенции горбуши, вселенной на Европейский Север России, с использованием микросателлитных и аллозимных локусов // Генетика. 2006. Т. 42. № 3. С. 349–360.
  10. Хрусталева А.М., Кловач Н.В., Сиб Д.Е. Генетическое разнообразие и популяционная структура нерки азиатского побережья Тихого океана // Генетика. 2017. Т. 53. № 10. С. 1196–1207. https://doi.org/10.7868/S0016675817100058
  11. Шереметьева И.Н., Картавцева И.В., Фрисман Л.В. Полиморфизм и дифференциация трех популяций эворонской полевки по данным изменчивости контрольного региона митохондриальной ДНК // Генетика. 2023. Т. 59. № 2. C. 157–169. https://doi.org/10.31857/S0016675823010101
  12. Kojima K.I., Yarbrough K.M. Frequency-dependent selection at the esterase 6 locus in Drosophila melanogaster // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1967. V. 57. № 3. P. 645–649.
  13. Yarbrough K., Kojima K.I. The mode of selection at the polymorphic esterase 6 locus in cage populations of Drosophila melanogaster // Genetics. 1967. V. 57. № 3. P. 677–686.
  14. Huang S.L., Singh M., Kojima K.I. A study of frequency-dependent selection observed in the esterase-6 locus of Drosophila melanogaster using a conditioned media method // Genetics. 1971. V. 68. № 1. P. 97–104.
  15. Kojima K.I., Huang S.L. Effects of population density on the frequency-dependent selection in the esterase-6 locus of Drosophila melanogaster // Evolution. 1972. P. 313–321.
  16. Altenberg L. Chaos from linear frequency-dependent selection // Am. Naturalist. 1991. V. 138. № 1. P. 51–68.
  17. Gavrilets S., Hastings A. Intermittency and transient chaos from simple frequency-dependent selection // Proc. Royal Soc. of London. Series B: Biol. Sci. 1995. V. 261. № 1361. P 233–238.
  18. Rice S.A. Evolutionary theory. Mathematical and conceptual foundations. Boston, MA: Sinauer Associates Inc., 2004. 362 p.
  19. Chevin L.M., Gompert Z., Nosil P. Frequency dependence and the predictability of evolution in a changing environment // Evol. Letters. 2022. V. 6. № 1. P. 21–33. https://doi.org/10.1002/evl3.266
  20. Gavrilets S. Perspective: Мodels of speciation: what have we learned in 40 years? // Evolution. 2003. V. 57. № 10. P. 2197–2215.
  21. McNaughton S.J. r-and K-selection in Typha // Am. Naturalist. 1975. V. 109. № 967. P. 251–261.
  22. Grahame J. Reproductive effort and r-and K-selection in two species of Lacuna (Gastropoda: Prosobranchia) // Marine Biol. 1977. V. 40. P. 217–224.
  23. Lüftenegger G., Foissner W., Adam H. r-and K-selection in soil ciliates: А field and experimental approach // Oecologia. 1985. V. 66. P. 574–579. https://doi.org/10.1007/BF00379352
  24. Andrews J.H., Harris R.F. r-and K-selection and microbial ecology // Advances Мicrobial Еcology. Boston, MA: Springer, 1986. P. 99–147.
  25. Болтнев А.И. Внутривидовой r/К-отбор у северного морского котика // Труды ВНИРО. 2017. Т. 168. С. 4–13.
  26. Жданова О.Л., Колбина Е.А., Фрисман Е.Я. Проблемы регулярного поведения и детерминированного хаоса в математической модели эволюции менделевской лимитированной популяции // Дальневосточный матем. журн. 2003. Т. 4. № 2. С. 289–303.
  27. Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Проявление мультирежимности в простейшей эколого-генетической модели эволюции популяций // Генетика. 2016. Т. 52. № 8. С. 975–984. https://doi.org/10.7868/S0016675816080154
  28. Фрисман Е.Я., Жданова О.Л., Кулаков М.П. и др. Математическое моделирование популяционной динамики на основе рекуррентных уравнений: результаты и перспективы. Ч. II // Изв. РАН. Серия биологическая. 2021. № 3. С. 227–240. https://doi.org/10.31857/S000233292103005X
  29. Базыкин А.Д. Пониженная приспособленность гетерозигот в системе двух смежных популяций // Генетика. 1972. Т. 8. № 11. С. 155–161.
  30. Базыкин А.Д. Отбор и генетическая дивергенция в системах локальных популяций и популяциях с непрерывным ареалом (математическая модель) // Проблемы эволюции. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1973. Т. 3. С. 231–241.
  31. Кулаков М.П., Фрисман Е.Я. Простая и сложная динамика в модели эволюции двух миграционно связанных популяций с непересекающимися поколениями // Изв. высших учеб. заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022. Т. 30. № 2. С. 208–232. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2022-30-2-208-232

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Experimental results. a - dynamics of the F allele frequency of the esterase-6 locus in a series of generations in panmictic and subdivided (average for all subpopulations) populations of D. melanogaster; b - distribution of the F allele frequency at the subpopulation level in the subdivided population for generations 5 and 61.

Baixar (189KB)
Metadados
3. Fig. 2. Characteristics of regressions. a - dynamics of genotype adaptations (data from [14, Table 3] - points, lines - regression models); b - distribution of regression model residuals (Shapiro-Wilk normality test: p (w3) = 0.6173, p (w1) = 0.3623).

Baixar (101KB)
Metadados
4. Fig. 3. Dynamics of the allele frequency F (calculated from equation (1) in blue, experimental in black [12]) from initial states q0 = 0.1 (triangles) and q0 = 0.9 (circles). The red line is q = 0.35.

Baixar (123KB)
Metadados
5. Fig. 4. Adaptations of genotypes when changing the frequency of the F allele. a - d = 0.481, g = 0.71; b - d = 0.445, g = 1.07.

Baixar (139KB)
Metadados
6. Fig. 5. Experimental (blue dots c 95% CI) and model dynamics of the frequency of the F allele of the esterase-6 locus in a series of generations: at q0 = 0.3, d = 0.481, g = 0.71 (R2 = 0.328) - blue long dashed line; at q0 = 0.1, d = 0.445, g = 1.07, (R2 = 0.356) - black dashed line.

Baixar (74KB)
Metadados
7. Fig. 6. Frequency-dependent selection. a - dynamics of the average frequency of the F allele in the model (black) and in the experiment (blue points with 95% d. i.); b - frequency distribution of the F allele in the 5th (blue) and 61st (black) generations in the subdivided population.

Baixar (137KB)
Metadados
8. Fig. 7. Experimental (blue dots) and model (grey dashed line) dynamics of the frequency of the F allele of the esterase-6 locus in a series of generations of a panmictic population. Parameter values and initial values: d1 = 0.7, d2 = 0.85, d3 = 0.75, x0 = 1.5. a - R1 = 3.01, R2 = 3.89, R3 = 2.13, q0 = 0.5; b - R1 = 3.13, R2 = 3.71, R3 = 2.17, q0 = 0.425.

Baixar (191KB)
Metadados
9. Fig. 8. Frequency-dependent r-K selection. a - dynamics of the average frequency of the F allele in all subpopulations: grey dotted line - model, blue dots with 95% d. i. - experiment; b - dynamics of the total number of flies in a series of generations in the model of the subdivided population (N, in thousands); c, d, e - distribution of the F allele frequency in the 61st generation in the subdivided population.

Baixar (271KB)
Metadados
10. Fig. 9. 1000 repetitions of a random process in a subdivided population model under different types of selection. Left - dynamics of the average frequency of the F allele in all subpopulations: experimental dynamics (blue dots), green line corresponds to the realisation with minimal SSE value; histogram of SSE distribution. Right - frequency distribution of the F allele in the 61st generation (grey lines - model, blue - in the experiment). Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)

Baixar (698KB)
Metadados
11. Fig. 10. Genetic drift. a - dynamics of the average frequency of allele F in all subpopulations: grey dotted line - model (implementation with minimal SSE), blue dots with 95% d. i. - experiment; b, c - frequency distribution of the F allele in the 61st generation in the subdivided population: blue line - in the experiment (c), black - in the model (implementation with maximum allele frequency difference at the subpopulation level).

Baixar (156KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025