65

5. Genetica populaţiilor 5.1 Structura genetică

Spre deosebire de capitolele anterioare, unde s-a pus accentul pe individ, ca purtător al informaţiei genetice, în partea de genetica populaţiilor, ne vom concentra pe distribuţia informaţiei genetice între şi în interiorul unor colective de indivizi (populaţii).

Prin populaţie se înţelege un grup de indivizi al unei specii care coexistă într-o arie geografică suficient de mică pentru ca toţi indivizii să aibă posibilitatea de a se încrucişa între ei. Altfel spus, populaţia reprezintă unitatea de existenţă, adaptare şi reproducere a speciei. Specia se defineşte ca un grup de populaţii naturale (în caz extrem chiar o singură populaţie) care sunt izolate reproductiv de alte asemenea grupuri. Delimitarea populaţiilor în cadrul speciilor nu este o operaţiune uşoară necesitând, în multe cazuri, informaţii detaliate despre posibilităţile de răspândire a informaţiei genetice (prin seminţe sau polen în cazul speciilor de plante). Totalitatea informaţiei genetice dintr-o populaţie poartă denumirea de fond de gene (engl. gene pool).

În urma analizelor genetice, fiecărui individ al unei colectivităţi îi poate fi atribuit, la un locus genic, un anumit tip genetic. Punctul de pornire, în genetica populaţiilor, îl constituie tocmai distribuţia frecvenţei tipurilor genetice (genotipurilor) precum şi a frecvenţei variantelor genetice derivate din acestea (alelelor) în interiorul unor colective. Aceste distribuţii ale frecvenţelor relative poartă denumirea de structuri genetice. Cele mai importante structuri genetice, despre care se va discuta pe larg în această parte sunt structurile alelice (distribuţia frecvenţelor alelelor) şi structurile genotipice (distribuţia frecvenţelor genotipurilor).

Locii genici sau genele se notează în mod curent cu litere mari (de ex. A). Alelele unui locus se notează cu litera locusului şi au, de regulă, un număr trecut ca indice (de ex. A1, A2). Un individ diploid prezintă întotdeauna două alele, astfel încât, un genotip este o combinaţie de două alele (de ex. A1 A2). Dacă se cunoaşte alela care este moştenită de la arborele semincer şi respectiv alela care este moştenită de la arborele sursă de polen avem de a face cu genotipuri ordonate. În acest caz, prima alelă dintr-un genotip a fost moştenită de la arborele semincer (de ex. alela A2 de la arborele semincer, m - moştenită pe linie maternă) iar a doua variantă (de ex. alela A1 de la arborele sursă de polen) pe linie paternă (p, patern) genotipul find A2

mA1p. În realitate însă, numai în puţine cazuri se cunoaşte ce

alelă de la care părinte a fost moştenită. În acest caz este vorba de genotipuri neordonate iar alela cu indicele mai mic este menţionată întotdeauna în prima poziţie (de ex. A1A2).

În continuare, structurile genetice vor fi calculate pe baza unui exemplu simplu (după FINKELDEY et al. 2003). Astfel, fie o specie la care s-a analizat un locus cu trei alele (A1: verde respectiv gri-deschis; A2: albastru respectiv gri-închis; A3: alb). Se consideră patru populaţii (A, B, C, D) fiecare cu câte cinci arbori (figura 5.1.1).

66

A B

C

D

A B

C

D

Fig. 5.1.1 Genotipuri şi alele la un locus genic în patru populaţii ipotetice

Se vor calcula structurile alelice şi structurile genotipice în fiecare din cele patru

populaţii, considerate separat, precum şi într-un colectiv constituit din toate cele patru populaţii. Acest lucru se face prin simpla numărare a alelelor şi respectiv a genotipurilor şi împărţirea numerelor astfel rezultate la numărul total de indivizi (tabelele 5.1.1 şi 5.1.2). Tabelul 5.1.1 Structurile alelice

Populaţia: Alela:

A B C D Colectivul total

p1 1 0 0,7 0,5 0,550 p2 0 1 0 0,5 0,375 p3 0 0 0,3 0 0,075 Σ 1 1 1 1 1 Tabelul 5.1.2 Structurile genotipice

Populaţia: Alela:

A B C D Colectivul total

P11 1 0 0,6 0,2 0,45 P22 0 1 0 0,2 0,30 P33 0 0 0,2 0 0,05 P12 0 0 0 0,6 0,15 P13 0 0 0,2 0 0,05 P23 0 0 0 0 0 Σ 1 1 1 1 1

Frecvenţa absolută cu care a fost observată o alelă Ai sau un genotip AiAj la un locus genic se notează cu ni şi respectiv Nij. Numărul total al genotipurilor corespunde numărului de indivizi (N) observaţi. Numărul de alele va fi de două ori mai mare decât numărul de genotipuri, întrucât fiecare individ poartă câte două alele. Frecvenţa relativă cu care apare o

67

anumită alelă se notează cu P(Ai) = pi. Frecvenţele genotipurilor AiAj se notează cu P(AiAj) = Pij. În continuare avem:

N

np i

i 2= şi

N

NP

ij

ij =

Evident ∑ =i ip 1 şi ∑∑ =

i j ijP 1 la orice locus genic.

Este important să reţinem că structurile alelice se pot calcula pe baza structurilor genotipice. Astfel, frecvenţa unei alele Ai, este egală cu frecvenţa genotipurilor homozigote AiAi (Pii) plus jumătate din frecvenţele tuturor heterozigoţilor în care apare alela Ai. Este valabilă relaţia de mai jos (GILLESPIE 1998):

++= ∑∑

+=

−

=

n

ij

ij

i

j

jiiii PPPp1

1

12

1

Pe de altă parte, nu este posibil ca din structurile alelice să se determine structurile genotipice fără îndeplinirea unor condiţii suplimentare (vezi legea Hardy-Weinberg).

Factorii evolutivi

Modificările la survenite la nivelul structurilor genetice se studiază de regulă la nivelul unei populaţii. Populaţia reprezintă astfel unitatea de bază pentru analiza modificărilor informaţiei genetice în decursul vieţii. Prin evoluţie se înţelege o modificare a structurii genetice a unei populaţii la cel puţin un locus genic. Factorii care determină astfel de schimbări la nivelul structurilor genetice se numesc factori evolutivi. Un prim factor este sistemul de încrucişare (ce indivizi participă la reproducere) care afectează frecvenţele genotipurilor, fără a modifica însă frecvenţele alelelor în populaţie. Ceilalţi factori evolutivi, care determină schimbarea frecvenţei alelelor în populaţii sunt: mutaţia – sursa primară a variabilităţii în lumea vie, fluxul genic prin intermediul seminţelor (migraţia) şi fluxul genic sub formă de alele, prin polen, selecţia naturală (promovarea genotipurilor cu un grad ridicat de fitness) şi deriva genetică (pierderea întâmplătoare de informaţie genetică). Rolul fiecărui factor evolutiv va fi descris în detaliu în capitolele următoare.

68

5.2 Măsurarea variaţiei genetice

Scopul acestui subcapitol este descrierea modului de calcul al celor mai folosiţi parametri (indici) ai variaţiei genetice. Se vor prezenta atât parametri care cuantifică variaţia genetică în interiorul populaţiilor, şi prin aceasta permit comparaţii între populaţii, dar şi parametri care cuantifică deosebirile (diferenţierea) între populaţii.

Punctul de pornire pentru calculul parametrilor genetici este întotdeauna distribuţia frecvenţelor variantelor genetice într-una sau mai multe populaţii (structurile genetice). În funcţie de parametru şi de problematica de analizat se vor lua în considerare structurile alelice sau structurile genotipice. Informaţia genetică iniţială, rezultată din analizele de laborator, este cu atât mai greu de interpretat cu cât în inventarierea genetică respectivă sunt luaţi în considerare mai mulţi loci genici, variabilitatea la aceşti loci este mai ridicată sau numărul de populaţii luate în studiu este mai mare. De aceea, este nevoie de o „condensare” a structurilor genetice în indici, care cuantifică, de regulă, o caracteristică într-un singur număr.

De regulă, în cadrul unei inventarieri genetice nu se analizează cu singur locus genic (marker genetic) ci mai mulţi loci genici. Ca urmare, în mod uzual, se estimează valori medii (de ex. media aritmetică, media armonică) ale parametrilor genetici pentru toţi locii genici luaţi în considerare. În mod obişnuit, aceste valori medii sunt considerate ca estimaţii ale parametrilor genetici pentru fondul de gene.

În lucrările de specialitate sunt descrişi o serie întreagă de parametri genetici (de ex. BERG and HAMRICK 1997; GREGORIUS 1978; NEI 1973). Totuşi, în continuare, sunt prezentaţi numai cei mai utilizaţi parametri genetici pentru caracterizarea variaţiei genetice în populaţiile de arbori. Descrierea parametrilor genetici se va face pe baza exemplului menţionat în subcapitolul precedent (cazul celor patru populaţii ipotetice). Variaţia genetică în interiorul populaţiilor Parametrii variaţiei genetice în interiorul populaţiilor sau variaţiei genetice intrapopulaţionale se calculează pentru fiecare populaţie în parte. De regulă, se estimează valori medii ale acestor parametri pentru mai multe populaţii după care aceste populaţii se compară în raport cu valorile obţinute. Cei mai folosiţi parametri genetici sunt:

• Proporţia locilor polimorfi (PPL; engl. percentage of polymorphic loci) • Numărul mediu de alele pe locus (A/L; engl. mean number of alleles per locus) • Numărul efectiv de alele pe locus (Ae; engl. effective number of alleles per locus)

• Heterozigoţia aşteptată – denumiri sinonime: diversitatea genică, diversitatea

genetică - (He; engl. expected heterozygosity, gene diversity, genetic diversity)

• Heterozigoţia observată (Ho; observed heterozygosity)

69

Proporţia locilor polimorfi

Un locus genic este considerat polimorf (variabil) atunci când prezintă cel puţin două

variante genetice (alele) diferite. Dimpotrivă, dacă nu se observă niciun fel de variaţie atunci locusul genic respectiv este considerat monomorf (fig. 5.2.1). Unii autori susţin însă că, un locus genic trebuie considerat monomorf atunci când frecvenţa relativă a unei alele la acel locus este mai mare de 0,95 sau 0,99. Altfel spus, atunci când aproape toţi indivizii unei populaţii prezintă acelaşi tip genetic.

Fig. 5.2.1 - Locus genic monomorf (zona A de pe zimogramă) şi locus genic polimorf (zona B). În dreapta imaginii este indicat sensul de migrare al fragmentelor în câmp electric.

Proporţia locilor polimorfi corespunde raportului dintre numărul de loci polimorfi şi

numărul de loci analizaţi (numărul locilor monomorfi plus numărul locilor polimorfi). Se exprimă în procente:

100)()()( ×

+=MNPN

PNPPL

în care PPL reprezintă proporţia locilor polimorfi, N(P) - numărul locilor polimorfi iar

N(M) - numărul de loci monomorfi.

În cazul în care este luat în considerare un singur locus genic, PPL poate avea evident numai două valori: 0 sau 100 (tabelul 5.2.1). Aceste valori reprezintă, de fapt, extremele pentru acest indice: 0 ≤ PPL ≤ 100 (%). Tabelul 5.2.1 – Variaţia genetică în cele 4 populaţii ipotetice

Parametru A B C D

PPL 0 % 0 % 100 % 100 %

A/L 1 1 2 2

Ae 1 1 1,72 2

He 0 0 0,42 0,5

Ho 0 0 0,2 0,6

70

Numărul mediu de alele pe locus

Acest indice se calculează ca raport între numărul total de alele observate la toţi locii

genici şi numărul de loci analizaţi:

L

nLA aa )(/∑

=

în care: LA / reprezintă numărul mediu de alele pe locus,

an - numărul de alele la locusul A,

L - numărul de loci observaţi.

Valoarea minimă pentru parametrul A/L este 1 în timp ce valoarea maximă este 2N, unde N este numărul de indivizi diploizi dintr-o populaţie. Această valoarea maximă este atinsă numai atunci când toţi indivizii unei populaţii sunt heterozigoţi şi fiecare alelă este reprezentată o singură dată în populaţie. Valorile acestui parametru pentru cele patru populaţii din exemplul nostru sunt prezentate în tabelul 5.2.1. Numărul efectiv de alele pe locus

Dacă pentru primii doi parametri nu s-a ţinut seama de frecvenţa relativă a alelelor, acest lucru este luat în considerare la calculul parametrului denumit numărul efectiv de alele. Atunci când se cuantifică variaţia genetică la un anumit locus genic se pleacă de la ideea că nivelul cel mai ridicat de variaţie genetică este considerat a fi atins atunci când alelele au o frecvenţă egală. Dimpotrivă, dacă la un locus genic o alelă este foarte frecventă (p>0,95) iar celelalte sunt foarte rare, acel locus genic este considerat a fi mai puţin variabil.

Numărul efectiv de alele pe locus se calculează după cum urmează (CROW and KIMURA 1970):

∑=

i aiae p

A 2)(

)(1 în care:

Ae(a) reprezintă numărul efectiv de alele la locusul genic A, pi(a) - frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A.

În cazul în care alelele au aceeaşi frecvenţă – şi anume pi(a)=1/ni(a), unde ni(a) reprezintă numărul de alele la gena A – parametrul atinge valoare maximă:

( ) )()(

2)()(

)( 11

11

aaaa

ae nnnn

A ==×

=

Valoarea minimă (1) este atinsă în cazul în care locusul genic este monomorf. Aşadar intervalul de variaţie al acestui indice este:

71

1≤ Ae(a) ≤ ni(a)

Dacă se calculează numărul efectiv de alele la mai mulţi loci (pentru fondul de gene) se

foloseşte media armonică:

1

)(

11−

= ∑

a ae

eAL

A

Heterozigoţia aşteptată

Este parametrul cel mai cunoscut şi cel mai utilizat pentru caracterizarea variaţiei genetice intrapopulaţionale. Se calculează cu următoarea formulă:

∑−=i

aiae pH 2)()( 1 în care:

He(a) reprezintă heterozigoţia aşteptată la locusul genic A pi(a) - frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A

În funcţie de autor acest parametru este denumit heterozigoţia aşteptată sau diversitatea genetică (engl. expected heterozygosity sau genetic diversity) (BERG and HAMRICK 1997) respectiv diversitate genică (engl. gene diversity) (NEI 1973). Totuşi termenul de heterozigoţie aşteptată este cel mai folosit pe plan internaţional, fiind adoptat, şi în prezentul tratat chiar dacă poate fi oarecum greşit interpretat. Astfel, este important de reţinut că acest parametru se bazează exlusiv pe structurile alelice, ceea ce înseamnă că poate fi calculat în absenţa oricărei informaţii privind structurile genotipice. Pe de altă parte, heterozigoţia este un atribut al genotipurilor (indivizilor) iar observarea heterozigoţiei presupune cunoaşterea structurilor genotipice.

Termenul de heterozigoţie aşteptată trebuie înţeles în legătură fenomenul de fuziune pe bază de întâmplare a alelelor de la un locus genic – aşa numita structură Hardy-Weinberg. Despre această structură de referinţă, teoretică sau „aşteptată”, care se realizează numai dacă sunt îndeplinite anumite premise, se va discuta pe larg la capitolul despre sistemul de încrucişare.

Din punct de vedere statistic heterozigoţia aşteptată poate fi definită ca probabilitatea de a extrage două elemente diferite dintr-o mulţime, cu punere înapoi după prima extragere. Elementele reprezintă alele iar mulţimea este populaţia. Astfel, cu cât o populaţie este mai variabilă cu atât probabilitatea de extragere a două tipuri difere este mai ridicată.

Se poate deduce uşor că pentru acest parametru este valabilă relaţia: 0≤ He < 1. Valoarea heterozigoţiei aşteptate pentru fondul de gene se calculează ca medie aritmetică:

L

H

H a

ae

e

∑=

)(

În unele lucrări parametrul He este dat şi ca valoare procentuală (înmulţit cu 100).

72

Heterozigoţia observată

La un locus genic A, parametrul numit heterozigoţia observată corespunde proporţiei heterozigoţilor în populaţia dată. Heterozigoţia este un atribut al genotipurilor şi de aceea heterozigoţia observată spre deosebire de heterozigoţia aşteptată se bazează numai pe structura genotipică şi nu poate fi calculată plecând de la strucutra alelică a unui locus genic. Se calculează după cum urmează:

∑∑∑ −==i

aii

i j

aijao PPH )()()( 1 cu i ≠ j.

În care )(aoH reprezintă heterozigoţia observată,

)(aijP - frecvenţa relativă a genotipurilor heterozigote la locusul genic A,

)(aiiP - frecvenţa relativă a genotipurilor homozigote la locusul genic A.

Evident este valabilă relaţia: 0 ≤ Ho ≤ 1. Valoarea heterozigoţiei observate pentru

fondul de gene se calculează ca medie aritmetică:

L

H

H a

ao

o

∑=

)(

Parametrii He şi Ho sunt folosiţi pentru calculul coeficientului de consangvinizare

(notat cu F). Modul de calcul al acestui coeficient va fi prezentat la capitolul despre consangvinizare.

În concluzie, calculul parametrilor variaţiei genetice intrapopulaţionale se poate baza fie pe identificarea locilor polimorfi (PPL) sau numărarea alelelor care apar la mai mulţi loci genici (A/L) fără însă să se ţină cont de frecvenţele alelelor. De aceea, aceşti doi parametri se mai numesc indici ai multiplicităţii (engl. multiplicity). Dacă însă se iau în considerare frecvenţele tipurilor genetice, şi aici ne referim în principal la alele, se vorbeşte de indici ai diversităţii. Cei mai importanţi parametri ai diversităţii sunt Ae şi He. Între cei doi parametri există următoarea relaţie:

e

i

ieA

p

pH1

11

111

2

2 −=−=−=

∑∑

Variaţia genetică între populaţii În continuare sunt descrişi parametrii genetici care ne permit compararea unor populaţii care posedă o anumită informaţie genetică. În prima parte se vor lua în considerare două populaţii şi atunci se discută despre parametri de distanţă iar în a doua parte se vor considera mai multe populaţii (parametri de diferenţiere).

73

Distanţe genetice

Printr-o „distanţă genetică” se cuantifică cât de mult sau de puţin se deosebesc structurile genetice a două populaţii. Parametrii de distanţă se bazează, de regulă, pe structurile alelice („distanţe alelice”) dar ei pot fi calculaţi şi pentru structurile genotipice („distanţe genotipice”). Atunci când structurile genetice ale celor două populaţii sunt identice distanţele genetice trebuie să ia valoarea 0. Există o serie întreagă de distanţe genetice fiecare având anumite caracteristici şi folosindu-se pentru un anumit scop. În mod obişnuit pentru calculul acestor parametrii se folosesc programe specializate (de ex. PEAKALL and SMOUSE 2006), fiecare software oferind posibilitatea de calcul a mai multor tipuri de distanţă genetică. În cele ce urmează se vor discuta numai două distanţe genetice cu relevanţă pentru speciile forestiere. 1. Distanţa genetică Nei

Acest tip de distanţă genetică (NEI 1972) între două populaţii (k şi l) se calculează prin

însumarea pătratelor diferenţelor dintre frecvenţele relative ale alelelor pentru un locus genic:

( )2)()(21

)min( )()(),( ∑ −=i

aiaa lpkplkd

în care ),()min( lkd a reprezintă distanţa genetică minimă Nei între populaţia k şi

populaţia l; )()( kp a

- frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A în populaţia k;

)()( lp a - frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A în populaţia l.

Distanţa genetică Nei variază după cum urmează: 0 ≤ dmin(a) ≤ 1. Valoarea maximă este

atinsă atunci când fiecare dintre cele două populaţii este fixată pentru o altă alelă. Dimpotrivă, dacă o populaţie este variabilă dar nu are nicio a alelă în comun cu cealaltă populaţie valoarea lui dmin(a) va fi mai mică decât 1 (de ex. între populaţiile B şi C în tabelul 5.2.2).

Pentru fondul de gene distanţa dmin(a) se calculează ca medie aritmetică a valorilor pentru fiecare locus genic:

∑=a

adL

d )min(min

1

în care L reprezintă numărul de loci genici observaţi.

Întrucât distanţele genetice sunt simetrice, astfel încât distanţa de la populaţia k la populaţia l este identică cu distanţa de la populaţia l la populaţia k, spaţiile de sub diagonală din tabelul următor nu sunt completate. Evident că distanţa genetică de la o populaţie la ea însăşi este 0.

74

Tabelul 5.2.2 – Distanţa genetică NEI. Valorile reprezintă distanţe genetice între cele patru populaţii.

dmin A B C D

A 0 1 0,09 0,25

B 0 0,79 0,25

C 0 0,19

D 0

2. Distanţa genetică d0

Distanţa genetică d0 între două populaţii (k şi l) se calculează pe baza contribuţiilor

diferenţelor dintre frecvenţele relative ale unor tipuri genetice (de ex. alele) pentru un locus genic (GREGORIUS 1974):

∑ −=i

aiaiao lpkplkd )()(),( )()(21

)(

în care ),()(0 lkd a reprezintă distanţa genetică între populaţia k şi populaţia l;

)()( kp a - frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A în populaţia k;

)()( lp a - frecvenţa relativă a alelei Ai la locusul genic A în populaţia l.

Dacă structurile alelice ale celor două populaţii (k şi l) sunt identice, distanţa genetică

d0 va fi egală cu 0. Chiar dacă din punct de vedere biologic nu are sens, în mod evident, distanţa genetică de la o populaţie la ea însăşi este 0. Dacă două populaţii nu au nicio a alelă în comun, d0(a) va fi egală cu 1 (vezi tabelul 5.2.3). Deoarece distanţa de la populaţia k la populaţia l este identică cu distanţa de la populaţia l la populaţia k spaţiile de sub diagonală din tabelul 5.2.3 sunt lăsate libere.

Pentru fondul de gene, distanţa d0(a) se calculează ca medie aritmetică a valorilor pentru fiecare locus genic observat:

∑=a

adL

d )(00

1

în care L reprezintă numărul de loci genici observaţi.

75

Tabelul 5.2.3 – Distanţa genetică d0. Valorile reprezintă distanţe genetice între cele patru populaţii.

dmin A B C D

A 0 1 0,3 0,5

B 0 1 0,5

C 0 0,5

D 0

Diferenţierea genetică

Cu ajutorul parametrilor de diferenţiere sunt cuantificate deosebirile genetice dintre un număr mare de populaţii. În continuare sunt descrise două concepte pentru calculul diferenţierii genetice: cea mai folosită metodă pe plan mondial este calculul lui GST (=FST) (NEI 1973) iar cea de-a doua metodă (GREGORIUS and ROBERDS 1986) care presupune calculul lui δ und Dj a fost folosită cu precădere în cadrul inventarierilor genetice pentru speciile de arbori din Europa Centrală.

1. Indicele de diferenţiere GST (FST)

Prin calculul lui GST(=FST) se determină proporţia diferenţierii genetice în raport de variaţia totală (NEI 1973). În acest scop se determină în primul rând mărimea variaţiei totale într-un colectiv constituit din toate (sub-)populaţiile studiate. Pentru aceasta sunt calculate frecvenţele relative ale alelelor în colectivul total. Acestea se notează cu pi(a)(t), unde t vine de la colectivul total. În continuare variaţia totală la un locus genic A se notează cu HT(a) şi se calculează ca şi parametrul heterozigoţia aşteptată (vezi subcapitolul heterozigoţia aşteptată) pentru colectivul constituit din toate populaţiile analizate:

−= ∑

i

aiaT tpH 2)()( )(1

Mai departe se va cuantifica variaţia genetică pentru fiecare populaţie în parte cu

ajutorul parametrului heterozigoţia aşteptată. Această variaţie genetică se va nota cu Hj(a)

unde j este numărul populaţiei. Componenta variaţiei genetice în interiorul populaţiilor va rezulta din media (ponderată) pentru valorile Hj(a) şi se notează cu HS(a).

∑ ×=j

ajjaS HcH )()(

în care cj reprezintă proporţia populaţiei J din colectivul total.

În cazul în care populaţiile luate în considerare au aceeaşi mărime cj=1/U unde U reprezintă numărul de populaţii studiate.

76

Componenta variaţiei între populaţii se determină cu ajutorul distanţelor genetice dmin(a). Dacă sunt luate în considerare un număr de U populaţii se vor calcula U2 distanţe genetice. În acest număr sunt incluse toate combinaţiile posibile: distanţele între populaţiile k şi l respectiv distanţele între l şi k dar şi distanţele de la o populaţie la ea însăşi (au valoarea 0). Aceste distanţe genetice se înmuţesc cu proporţia populaţiilor respective din colectivul total (ck, cl). În final, va rezulta o distanţă medie care se notează cu DST(a) denumită şi variaţia între populaţii (FINKELDEY 1994)

),()min()( lkdccD alk l kaST ×=∑ ∑ .

Între cei trei parametri calculaţi după metoda prezentată anterior – variaţia totală

(HT(a)), variaţia în interiorul populaţiilor (HS(a)) şi variaţia între populaţii (DST(a)) există următoarea relaţie de tip aditiv:

)()()( aSTaSaT DHH +=

În continuare se calculează proporţia din variaţia totală care se datorează diferenţierii

între populaţii şi care se notează cu GST:

T

ST

STS

STST

H

D

DH

DG =

+=

O valoare a lui GST de 0,58 (vezi tabelul 5.2.4) înseamnă că 42% din totalul variaţiei

genetice se găseşte în interiorul populaţiilor iar 58% din variaţie se găseşte între populaţiile analizate. Tabelul 5.2.4 – Componentele variaţiei genetice. Valorile de mai jos sunt calculate pentru exemplul din subcapitolul precedent.

Componenta variaţiei Valoare

HT(a) total 0,551

HS(a) în interiorul populaţiilor 0,230

DST(a) între populaţii 0,321

GST(a) 0,583

Printr-o altă modalitate se calculează şi indicele FST a lui Wright care are o valoare

foarte apropiată sau chiar identică (în cazul locilor cu două alele) cu indicele GST. Ambii termeni sunt frecvent folosiţi în literatura de specialitate.

Metoda folosită pentru calculul lui GST (NEI 1973) permite o ierarhizare mai complexă a variaţiei genetice decât cea cu două niveluri (în interiorul şi între populaţii). De exemplu se poate analiza distribuţia variaţiei genetice între regiuni geografice (nivelul 1), între

77

populaţii în interiorul unei regiuni (nivelul 2) şi respectiv în interiorul populaţiilor (nivelul 3). 2. Indicele de diferenţiere δ

Această metodă se bazează pe distanţa genetică d0 dintre două colective (GREGORIUS and ROBERDS 1986). În acest scop se calculează mai întâi distanţa genetică d0 între o populaţie J

şi complementul ei ( J ). Prin complemetul unei populaţii J se înţelege un colectiv rezultat din unirea tuturor celorlalte populaţii cu excepţia lui J. Pentru acest colectiv nou constituit se determină structurile alelice şi respectiv structurile genotipice. În continuare se

calculează distanţa între J şi J cu următoare formulă:

∑ −=i

aiaiaj jpjpD )()(2

1)()()(

în care )(ajD este distanţa genetică d0 între populaţia J şi complementul ei ( J );

)()( jp ai- frecvenţa alelei Ai la locusul genic A în populaţia J ;

)()( jp ai- frecvenţa alelei Ai la locusul genic A în complementul populaţiei J.

Calculul lui

)(ajD se face pentru fiecare populaţie în parte, de fiecare dată însă este vorba

de un alt complement. Valorile calculate (Dj(a), Dk(a),...) cuantifică reprezentativitatea unei populaţii J pentru întregul colectiv alcătuit din toate populaţiile analizate. Dacă Dj(a) = 0 înseamnă că populaţia J reprezintă întregul colectiv în mod ideal. În cazul în care Dj atinge valoarea maximă 1 înseamnă că populaţia J nu este deloc reprezentativă pentru colectivul total, întrucât toate alelele care sunt prezente în această populaţie lipsesc în celelalte populaţii.

Indicele de diferenţiere total se calculează ca medie ponderată a valorilor )(ajD :

∑ ×=j

ajja Dc )()(δ

în care )(aδ este indicele de diferenţiere genetică;

jc - proporţia populaţiei J din colectivul total;

)(ajD - distanţa genetică d0 între populaţia J şi complementul ei ( J ).

Valorile calculate pentru cele patru populaţii din exemplul nostru ipotetic sunt prezentate în tabelul următor.

78

Tabelul 5.2.5 – Indicele de diferenţiere δ. Valorile de mai jos sunt calculate pentru exemplul din capitolul precedent. Populaţia A B C D δ(a) Dj(a) 0,60 0,83 0,50 0,17 0,53

Indicele δ este o mărime a diferenţierii genetice absolute între populaţii fiind, în principiu, independent de variaţia din interiorul fiecărei populaţii. Bibliografie suplimentară BERG, E. E., and J. L. HAMRICK, 1997 Quantification of genetic diversity at allozyme loci.

Canadian Journal of Forestry Research 27: 415-424. CROW, J. F., and M. KIMURA, 1970 An Introduction to Population Genetics Theory. Harper

and Row, New York, Evanston, London. FINKELDEY, R., 1994 A simple derivation of the partitioning of genetic variation within

subdivided populations. Theoretical and Applied Genetics 89: 198-200. GILLESPIE, J. H., 1998 Population Genetics. A Concise Guide. John Hopkins University

Press, Baltimore and London. GREGORIUS, H.-R., 1974 Genetischer Abstand zwischen Populationen. I. Zur Konzeption

der genetischen Abstandsmessung. Silvae Genetica 23: 22-27. GREGORIUS, H.-R., 1978 The concept of genetic diversity and its formal relationship to

heterozygosity and genetic distance. Mathematical Biosciences 41: 253-271. GREGORIUS, H.-R., and J. H. ROBERDS, 1986 Measurement of genetical differentiation

among subpopulations. Theoretical and Applied Genetics 71: 826-834. NEI, M., 1972 Genetic distance between populations. The American Naturalist 106: 283-

292. NEI, M., 1973 Analysis of gene diversity in subdivided populations. Proceedings of the

National Academy of Sciences USA 70: 3321-3323. PEAKALL, R., and P. E. SMOUSE, 2006 GENALEX 6: genetic analysis in Excel. Population

genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes 6: 288-295.

79

5.3 Sistemul de încrucişare

Sistemul de încrucişare (engl. mating system) se referă la felul încrucişărilor (împerecherilor) care se realizează într-o populaţie. Încrucişările care au loc într-o populaţie nu influenţează frecvenţele alelelor, dar sunt decisive pentru combinarea alelelor în genotipuri.

Premisa de la care se porneşte este că, în populaţiile de arbori, încrucişarea este randomizată sau pe bază de întâmplare. Astfel, în cazul unei specii anemofile de arbori se poate imagina următoarea situaţie, care corespunde unei încrucişări randomizate: întreg polenul produs este transportat peste coronament, unde prin intermediul curenţilor de aer este amestecat astfel încât polenul fiecărui arbore să aibă aceeaşi şansă de a fecunda orice floare femelă. Dimpotrivă, dacă un arbore matern “preferă” polenul anumitor arbori, care spre exemplu se găsesc în imediata sa vecinătate, avem aşa-numitele preferinţe de încrucişare, iar procesul de reproducere nu se mai desfăşoară pe seama întâmplării. Polenul primit de fiecare arbore şi care a contribuit la formarea descendenţei se mai numeşte şi polen efectiv, tocmai pentru a se deosebi de polenul care nu a condus la formarea niciunui zigot. Dacă într-adevăr are loc o încrucişare randomizată, atunci polenul efectiv, recepţionat de un anumit arbore, trebuie să fie omogen din punct de vedere genetic.

Legea Hardy-Weinberg

O nouă generaţie ia naştere prin reproducere sexuată sau asexuată. În cazul primei variante, gameţii femeli şi masculi, produşi prin meioză, se întâlnesc şi dau naştere celulelor zigotice. Altfel spus, alelele şi nu genotipurile constituie legătura între generaţii, deoarece genotipurile (combinaţii de câte două alele per locus) se desfac în timpul meiozei. Relaţiile între frecvenţele alelelor în generaţia parentală şi frecvenţele genotipurilor şi alelelor în generaţia următoare sunt descrise de legea Hardy-Weinberg. La începutul secolului al XX-lea, matematicianul englez Hardy şi fizicianul german Weinberg, lucrând independent unul de celălalt, au enunţat această lege, care este valabilă atunci când sunt îndeplinite o serie de condiţii: (1) exemplare se reproduc sexuat; (2) generaţiile nu se suprapun; (3) încrucişarea este randomizată; (4) selecţia nu acţionează; (5) incidenţa mutaţiilor este neglijabilă; (6) populaţia este foarte mare, practic infinită; (6) migraţia nu are loc.

În cazul cel mai simplu, al unui locus A cu două alele, A1 şi A2, cu frecvenţele relative în populaţie, p = f (A1) şi q = f(A2), în condiţiile menţionate anterior, legea Hardy-Weinberg afirmă că: (1) frecvenţele alelelor rămân neschimbate în generaţiile viitoare; (2) frecvenţele genotipurilor rămân de asemenea constante şi se calculează astfel:

f (A1 A1)= p2

f (A1 A2)= 2pq

f (A2 A2)= q2

80

şi (3) aceste frecvenţe de echilibru vor fi atinse după o singură generaţie de încrucişare randomizată, indiferent de frecvenţele iniţiale ale alelelor şi genotipurilor în populaţie.

Modelul încrucişării randomizate presupune absenţa oricăror preferinţe la încrucişare (de exemplu, încrucişarea preferenţială între arborii învecinaţi sau înrudiţi). Ca urmare, combinarea a două alele depinde numai de frecvenţa lor în populaţie. Astfel, probabilitatea ca la un locus A, un gamet femel purtător al alelei A1 să se unească cu gamet mascul purtător al alelei A1 şi deci să se formeze un genotip A1A1 este p♀ × p♂ = p2. Această valoare corespunde frecvenţei relative a homozigoţilor de tip A1A1 (P11): P11 = p2 (fig. 5.3.1).

Dacă se combină două alele diferite, putem avea următoarele cazuri: o alelă A1 este moştenită de la arborele matern (genitorul femel) iar cealaltă alelă A2 este moştenită de la arborele sursă de polen (genitorul mascul) sau invers A2 este transmisă prin intermediul arborelui matern şi A1 de către arborele sursă de polen. În ambele cazuri ia naştere un descendent heterozigot cu genotipul A1A2. Frecvenţele relative ale acestor genotipuri sunt: P12 = (p♀ × q♂) + (q♀ × p♂) = 2pq.

Fig. 5.3.1 - Legea Hardy-Weinberg pentru un locus cu două alele, în care p şi q sunt frecvenţele

relative ale celor două alele În cazul legii Hardy-Weinberg există o legătură simplă între structura alelică şi

structura genotipică. În baza acestei legături se poate determina structura genotipică pornind de la o structură alelică cunoscută. Pentru mai multe alele, frecvenţele genotipurilor se calculează cu ajutorul relaţiilor:

Pii = pi2 pentru toţi homozigoţii,

Pij = 2pi pj pentru heterozigoţi.

81

Dacă exemplarele unei populaţii se găsesc în proporţiile menţionate mai sus, populaţia

respectivă se găseşte în echilibru Hardy-Weinberg şi se numeşte panmictică (de la panmixie). În acest caz, structura genotipică poartă şi numele de structură Hardy-Weinberg. Într-o populaţie panmictică, structurile alelice şi cele genotipice nu se modifică iar evoluţia, definită anterior ca o schimbare a structurilor genetice, nu are loc, cel puţin la locusul genic considerat.

În continuare, este reprezentată grafic (fig. 5.3.2) legătura între frecvenţele alelelor şi genotipurilor pentru un locus cu două alele, în cazul unei structuri Hardy-Weinberg. Se observă că, în cazul stării de echilibru genetic, frecvenţa relativă a heterozigoţilor nu trece de 0,50 indiferent de frecvenţele alelelor.

q = 1 - p

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

p

Fre

cv

en

ţa g

en

oti

pu

rilo

r

p2 q2 2pq

Fig. 5.3.2 - Frecvenţele genotipurilor într-o structură de tip Hardy-Weinberg, pentru un locus cu

două alele, în care p şi q sunt frecvenţele relative ale alelelor În graficul de mai sus se observă, de asemenea, că dacă una din cele două alele este

rară în populaţie (are frecvenţa relativă<0,05) atunci această alelă va fi prezentă în populaţie aproape exclusiv în indivizi heterozigoţi. Se vor întâlni foarte puţini indivizi homozigoţi pentru alela respectivă (cu frecvenţa relativă < 0,0025). În concluzie, cu cât o alelă este mai rară, cu atât diferenţa dintre numărul indivizilor homozigoţi şi numărul indivizilor heterozigoţi, purtători ai acestei alele, este mai mare. Mai mult, este aproape imposibil să eliminăm o alelă rară dintr-o populaţie, chiar dacă ea se manifestă în stare homozigotă prin reducerea vitalităţii indivizilor, dacă această alelă este recesivă şi „ascunsă” în indivizii heterozigoţi.

Legea Hardy-Weinberg permite estimarea frecvenţei alelelor atunci când nu putem diferenţia fenotipic homozigoţii dominanţi de heterozigoţi, pentru un anumit caracter. De exemplu, fenotipul mutant, cu cotiledoanele albe, este observat de multe ori în pepiniere printre mii de plantule cu cotiledoanele de culoare normală (fig. 5.3.3).

82

Fig. 5.3.3: Plantule mutante, fără clorofilă, la Pinus ponderosa (Sorensen)

Într-o pepinieră au fost identificate 20 de plantule cu fenotip mutant (cotiledoane fără clorofilă) în 120 000 de plantule. Fenotipul mutant este determinat de o alelă recesivă a unui singur locus implicat în biosinteza clorofilei. Se pune întrebarea: care este frecvenţa acestei alele mutante (q) în populaţia din pepinieră? Frecvenţa alelei mutante va fi: q2 = 20 / 120 000, q = 0,013, presupunând că populaţia este în echilibru Hardy-Weinberg. Tot conform aceleiaşi legi, frecvenţa plantulelor cu cotiledoane normale, verzi, dar purtătoare ale alelei mutante, este 2pq = 2 x 0,987 x 0,013 = 0,026, adică aproximativ 3079 de plantule.

83

5.4 Consangvinizarea

Consangvinizarea (lat. consanguineus – înrudit prin sânge; engl. inbreeding) reprezintă o abatere faţă de încrucişarea randomizată. În acest caz, încrucişarea între indivizi înrudiţi are loc cu o frecvenţă mai mare decât cea aşteptată în modelul încrucişării randomizate. Indivizii sunt consideraţi ca fiind înrudiţi atunci când au cel puţin un strămoş comun. În cazul de faţă înrudirea se restrânge la o perioadă limitată în timp, pentru că evoluţia însăşi implică o înrudire îndepărtată a tuturor indivizilor unei specii, iar în sens larg, chiar peste graniţele speciei. Astfel, numai indivizii care au avut un strămoş comun într-o generaţie nu

prea îndepărtată sunt consideraţi înrudiţi iar prin încrucişarea lor se ajunge la consangvinizare. Motivul pentru care acest caz particular de încrucişare, care este consangvinizarea, este prezentat într-un subcapitol separat îl reprezintă tocmai efectele negative pe care acest fenomen le are, de cele mai multe ori, în populaţiile de arbori.

Autofecundarea - cazul extrem de consangvinizare

Efectele consangvinizării se văd cel mai bine în cazul unei populaţii, în care toţi indivizii se reproduc prin autofecundare. Să presupunem că într-o populaţie, la un locus A, avem două alele, A1 şi A2, cu frecvenţele relative în populaţie, p = 0,40 şi q = 0,60. Cele trei genotipuri din generaţia 0 se găsesc în proporţii Hardy-Weinberg: homozigoţii au p2

= 0,16 şi q2 =

0,36 iar heterozigoţii 2pq =0,48 (fig. 5.4.1). Din autofecundarea indivizilor homozigoţi (A1A1 şi A2A2) vor rezulta întotdeauna numai homozigoţi. În schimb, în cazul autofecundării indivizilor heterozigoţi, numai jumătate din descendenţă va fi heterozigotă. Astfel, după o singură generaţie se ajunge la o înjumătăţire a frecvenţei heterozigoţilor faţă de generaţia parentală. Structura alelică, în pofida consangvinizării extreme, va rămâne aceeaşi (fig. 5.4.1 şi tabelul 5.4.1).

Tabelul 5.4.1 - Modificarea structurii genetice prin autofecundarea obligatorie

Tipul de încrucişare

Frecvenţa iniţială Descendenţi

A1A1 A1A2 A2A2

A1A1 × A1A1 P11 P11 - -

A1A2 × A1A2 P12 ¼ P12 ½ P12 ¼ P12

A2A2 × A2A2 P22 - - P22

Total 1 P11 + ¼ P12 ½ P12 P22 + ¼ P12

84

Fig. 5.4.1 - Impactul autofecundării asupra frecvenţelor genotipurilor la o singură genă timp de patru generaţii. În pofida acestui caz extrem de consangvinizare din populaţie, frecvenţele alelelor rămân neschimbate de la o generaţie la alta: p = 0,40 şi q = 0,60 (după White et al. 2007)

Dacă într-o populaţie, începând cu o generaţie t este posibilă numai autofecundarea,

frecvenţa heterozigoţilor la o genă în generaţia următoare (t+1) va fi:

în care Ht reprezintă frecvenţa heterozigoţilor în generaţia t.

După t generaţii de autofecundare vom avea:

în care H0 reprezintă frecvenţa heterozigoţilor în generaţia iniţială (generaţia 0).

02

1HH

t

t

=

tt HH2

11 =+

85

Creşterea frecvenţei homozigoţilor dintr-o populaţie, şi implicit reducerea frecvenţei heterozigoţilor, rezultă şi din încrucişările între fraţi buni (indivizi care au aceeaşi părinţi) sau semifraţi (indivizi care au acelaşi arbore matern, dar polenul provine de la donatori diferiţi) cu deosebirea că scăderea gradului de heterozigoţie (=frecvenţa heterozigoţilor) nu se mai realizează aşa da rapid ca în cazul autofecundării obligatorii (Hattemer et al. 1993).

Deşi efectele consangvinizării au fost evidenţiate anterior pentru un singur locus genic, acest fenomen afectează în egală măsură toate genele nucleare, adică toate genele moştenite biparental (în cazul fiecărui locus, o alelă este moştenită de la mamă şi una de la tată).

Coeficientul de consangvinizare

Fie f probabilitatea ca două alele extrase la întâmplare dintr-o populaţie să aibă aceeaşi origine sau altfel spus proporţia alelelor care au o origine comună. Acest parametru f poate fi considerat ca o mărime a consangvinizării, caz în care se notează cu F şi se numeşte coeficient de consangvinizare. Acest coeficient se determină pornind de la relaţia:

în care Ho este heterozigoţia observată iar He este heterozigoţia aşteptată conform legii Hardy-Weinberg.

Cazul 1: dacă Ho=He → F=0, nu avem niciun un indiciu că fenomenul de consangvinizare are un efect asupra structurii genotipice. În cazul unui locus cu două alele avem o structură Hardy-Weinberg. Dacă însă avem un locus cu mai mult de două alele atunci putem avea abateri de la structura Hardy-Weinberg chiar dacă F=0.

Cazul 2: dacă Ho<He → F>0 este un indiciu că avem consangvinizare, mai ales dacă coeficientul de consangvinizare are valori pozitive la toţi sau la marea majoritate a locilor inventariaţi.

Cazul 3: dacă Ho>He → F<0. O valoare negativă a coeficientului de consangvinizare indică acţiunea altor factori evolutivi, spre exemplu, selecţia în favoarea arborilor heterozigoţi.

Coeficientul de consangvinizare (F) este dependent adeseori de stadiul de dezvoltare al indivizilor unei populaţii. Spre exemplu, un studiu efectuat în America (Pascarella 1997) la specia arbustivă entomofilă şi hermafrodită Ardisia escallonioides, a relevat diferenţe mari în privinţa acestui coeficient între puieţii şi exemplarele mature din aceeaşi populaţie (tabelul 5.4.2).

e

o

i

i

iij

j

ij

i

i

iij

j

ij

iij

j

ji

iij

j

ij

H

H

p

P

F

p

P

pp

P

F

−=−

−=

−==−

∑

∑∑

∑

∑∑

∑∑

∑∑

≠

≠

≠

≠

11

1

121

2

2

86

Tabelul 5.4.2 - Coeficientul de consangvinizare (F) în 4 populaţii de Ardisia escallonioides. N reprezintă numărul de indivizi analizaţi (Pascarella 1997)

Populaţia Puieţi Exemplare mature

N F N F

MAT 91 161 0,439 16 -0,207

MAT 92 70 0,243 7 -0,300

DEE 92 100 -0,025 10 -0,300

EVP 92 120 0,362 12 -0,253

Analizele s-au efectuat cu ajutorul a 5 markeri genetici de tipul aloenzimelor, în patru

populaţii ale acestei specii. În stadiul juvenil s-au estimat valori pozitive ale coeficientului de consangvinizare în trei din cele patru populaţii. Aceste valori ale lui F sugerează că un procent substanţial dintre puieţi a rezultat prin autofecundare. Totuşi în populaţia DEE 92, la puieţi, avem chiar un uşor exces de heterozigoţi, semn că în această populaţie nu a avut loc autofecundarea şi deci consangvinizarea. Valori negative ale lui F, exces de heterozigoţi faţă de structura Hardy-Weinberg, s-au obţinut pentru exemplare mature în toate cele patru populaţii analizate. Acest fapt se datorează foarte probabil acţiunii selecţiei în timp împotriva indivizilor consangvini precum şi împotriva celor care prezintă un grad scăzut de heterozigoţie. În final, trebuie menţionat că o tendinţă asemănătoare, de creştere a proporţiei indivizilor heterozigoţi, începând din stadiul juvenil către stadiul adult, a fost observată la multe specii de arbori.

Depresiunea consangvină

Diminuarea heterozigoţiei datorită consangvinizării este însoţită în populaţiile de arbori de efecte negative în plan fenotipic. Indivizii rezultaţi prin consangvinizare (consangvinii) au o capacitate de supravieţuire şi de reproducere (fitness) mai scăzută, dar şi creşteri mai mici decât ceilalţi indivizi din populaţie (fig. 5.6.2). Această lipsă de vigoare, care se manifestă în generaţiile obţinute prin consangvinizare, poartă denumirea de depresiune consangvină (engl. inbreeding depression).

Au fost propuse două ipoteze pentru a explica apariţia depresiunii consangvine, pe fondul reducerii heterozigoţiei şi creşterii homozigoţiei: ipoteza supradominanţei şi ipoteza dominanţei. Cele două ipoteze, care încearcă să explice apariţia unei pronunţate depresiuni consangvine în cazul speciilor de arbori, vor fi prezentate pe scurt pentru cazul unei singure gene cu două alele.

87

Fig. 5.4.2 - Depresiune consangvină observată la arborii obţinuţi prin autofecundare (rândul din mijloc) într-o plantaţie de duglas (după White et al. 2007)

Ipoteza supradominanţei. În cazul unui locus cu două alele, prin supradominanţă se

înţelege superioritatea indivizilor heterozigoţi faţă de indivizii homozigoţi (fig. 5.4.3). Altfel spus, heterozigoţii au fitness-ul maxim, în valoare relativă, notat în mod convenţional cu 1. Totuşi, avantajul heterozigoţilor în faţa homozigoţilor este mic, valorile coeficienţilor de selecţie (s1 şi s2) în cazul celor două feluri de homozigoţi având valori reduse. Se presupune că superioritatea indivizilor heterozigoţi faţă de indivizii homozigoţi se manifestă în realitate la foarte multe gene.

Fig. 5.4.3 - Ipoteza supradominanţei pentru explicarea depresiunii consangvine

Ipoteza dominanţei. Conform acestei ipoteze depresiunea consangvină se datorează

unui puternic dezavantaj selectiv al homozigoţi de tip A2 A2 (fig. 5.4.4). Acest dezavantaj se manifestă la relativ puţine gene, dar nu la aceleaşi gene pentru fiecare individ. Alela puternic dezavantajată din punct de vedere selectiv (alela A2) este recesivă, astfel încât, un individ heterozigot, purtător al acestei alele, va avea fitness maxim, în valoare relativă (1), ca şi homozigotul dominat.

Această ipoteză presupune că aproape toţi indivizii unei populaţii sunt purtătorii unei alele, care în formă homozigotă, conduce la un dezavantaj selectiv major, coeficientul de

1

A1A2

1-s1

1-s2

A2A2

A1A1

11

A1A2

1-s1

1-s2

A2A2

A1A1

88

selecţie s2 având o valoare foarte mare în acest caz. Alelele de tip A2 iau naştere foarte probabil prin mutaţii recurente (repetabile) şi persistă datorită recesivităţii lor mult timp în populaţie.

Fig. 5.4.4 - Ipoteza dominanţei pentru explicarea depresiunii consangvine

În special la încrucişările între indivizi înrudiţi, există şanse mai mari ca două copii ale

unei alele recesive să se întâlnească şi deci să se manifeste depresiunea consangvină. O astfel de situaţie poate să apară însă, cu totul întâmplător, şi în cazul unei încrucişări între indivizi neînrudiţi. Totuşi o astfel de probabilitate este extrem de redusă atunci când exemplarele nu sunt înrudite.

În pofida efectelor negative enunţate anterior autofecundarea are loc cu o frecvenţă ridicată la multe plante anuale şi de interes agricol, fără însă ca depresiunea consangvină să se manifeste. Aceeaşi situaţie apare şi la unele specii lemnoase, ca spre exemplu la Coffea

arabica (specie cleistogamă - polenizarea şi fecundarea are loc înainte de deschiderea florilor). Indivizii acestor specii prezintă un grad de heterozigoţie redus. Variaţia genetică se găseşte mai ales între linii consangvine (grup de indivizi cu acelaşi genotip homozigot multilocus, rezultat după mai multe generaţii de consangvinizare), care constituie unităţi de reproducere izolate aproape în totalitate. Absenţa depresiunii consangvine, în cazul acestor specii, se explică prin faptul că eliminarea alelelor dezavantajoase, „dăunătoare” prin selecţie, a avut loc probabil încă din primele generaţii de cultură.

Dimpotrivă, arborii sunt specii la care fecundarea încrucişată (alofecundarea sau fecundarea cu polen provenind de la alţi indivizi) este preponderentă (specii alogame). Ei posedă o variaţie genetică mult mai pronunţată decât alte specii de plante, un grad ridicat de heterozigoţie, pentru a putea supravieţui în condiţii variabile de mediu. Ca urmare, atunci când are loc fenomenul de consangvinizare, se aşteaptă o depresiune consangvină puternică. De altfel, manifestarea depresiunii consangvine la arbori este susţinută de numeroase experimente.

Astfel, în Norvegia, în cadrul unui program de ameliorare al molidului (Skrøppa 1996) s-au efectuat, între zece arbori selectaţi din două populaţii naturale, toate încrucişările posibile inclusiv cele reciproce şi autofecundarea. Acest tip de încrucişare se numeşte dialel complet (tabelul 5.4.3). În total, s-au obţinut 100 de familii de fraţi buni a căror performanţe au fost evaluate într-o cultură experimentală.

1

A1A1

A1A2

1-s2

A2A2

0 11

A1A1

A1A2

1-s2

A2A2A2A2

0

89

Tabelul 5.4.3: Schema unui dialel complet. C – încrucişare, S – autofecundare, R – încrucişare reciprocă.

Arborele matern - genitorul femel (♀)

Arb

orel

e su

rsă

de p

olen

-

geni

toru

l mas

cul (

♂)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 S C C C C C C C C C 2 R S C C C C C C C C 3 R R S C C C C C C C 4 R R R S C C C C C C 5 R R R R S C C C C C 6 R R R R R S C C C C 7 R R R R R R S C C C 8 R R R R R R R S C C 9 R R R R R R R R S C 10 R R R R R R R R R S

Comparând valorile medii pentru diferite caracteristici între indivizii rezultaţi prin

autofecundare (S) şi cei rezultaţi din alofecundare (C) a reieşit că, la molid, depresiunea consangvină este prezentă încă din stadiul juvenil (tabelul 5.4.4). Se observă, de asemenea, că pe măsură ce puieţii înaintează în vârstă, depresiunea consangvină este din ce în ce mai accentuată în cazul creşterii în înălţime. Şi caracterele calitative, ca de exemplu forma tulpinii, sunt afectate de consangvinizare. În ceea ce priveşte densitatea lemnului diferenţele sunt mici deşi consangvinii cresc mult mai încet decât ceilalţi indivizi.

Tabelul 5.4.4: Depresiunea consangvină în stadiul juvenil la molid. S – descendenţi rezultaţi prin autofecundare, C – descendenţi rezultaţi din celelalte încrucişări (Skrøppa 1996)

Caracteristica U.M. Dialel 1 Dialel 2 S C S C

Procentul de germinare % 85,4 92,2 90,0 94,2 Înălţimea în anul 1 cm 4,2 5,5 5,0 6,8 Înălţimea în anul 2 cm 14,3 19,7 17,5 25,1 Înălţimea în anul 5 cm 30 41 38 50 Înălţimea în anul 7 cm 67 101 90 123 Înălţimea în anul 10 cm 141 211 180 265 Mortalitatea până la 7 ani % 18,5 3,8 16,6 3,9 Formă anormală (7 ani) % 13,7 2,1 11,1 1,9 Diametrul la vârsta de 10 ani cm 1,6 2,6 1,9 3,1 Densitatea lemnului (10 ani) kg/m3 405 383 406 384

Un alt exemplu care indică manifestarea depresiunii consangvine la molid este prezentat în tabelul 5.4.5 (Hattemer et al. 1993). În anul 1909 s-au recoltat seminţe rezultate din autofecundare şi din polenizare liberă din patru arbori de molid. Seminţele au fost semănate în anul 1910. Datele din tabel arată diferenţe mari în timp între cele două categorii în favoarea indivizilor obţinuţi prin polenizare liberă în ceea ce priveşte supravieţuirea. Deosebirile sunt vizibile încă din primul an, dar şi la vârste mari, când molizii din polenizare liberă continuă să aibă un procent de supravieţuire mai ridicat.

90

Tabelul 5.4.5: Numărul indivizilor rezultaţi prin autofecundare şi polenizare liberă care au supravieţuit într-o cultură experimentală din Suedia întemeiată în anul 1910

Autofecundare Polenizare liberă Arborele nr. 1 2 3 4 1 2 3 4 Primăvara 1910 48 45 14 3 49 37 45 15 Toamna 1910 24 34 12 2 36 21 38 12 1916 16 17 9 2 36 21 38 12 1937 10 13 8 2 36 21 38 12 1971 6 11 7 1 33 14 34 12

Şi în ceea ce priveşte volumul mediu al fusului (fig. 5.4.4) diferenţele dintre

descendenţii (molizii) în vârstă de 61 de ani rezultaţi din polenizare liberă şi cei proveniţi din autofecundare sunt deosebit de evidente (Hattemer et al. 1993). Acest exemplu constituie o dovadă a incidenţei în plan fenotipic a fenomenului de consangvinizare la arbori.

Fig. 5.4.4 - Volumul mediu al fusului la molizi rezultaţi din polenizare liberă şi din autofecundare la vârsta de 61 de ani într-o cultură experimentală din Suedia (Hattemer et al. 1993) Mecanisme de evitare a consangvinizării

Consecinţele negative ale consangvinizării au făcut ca în decursul evoluţiei speciile de plante şi în special cele de arbori să dezvolte mecanisme care să preîntâmpine, pe cât posibil, incidenţa acestui fenomen. Aceste mecanisme vizează cel mai frecvent împiedicarea autofecundării, forma cea mai acută de consangvinizare, dar permit totuşi celelalte tipuri de încrucişări cum ar fi şi cele între indivizii înrudiţi (de ex. între fraţi buni).

91

Un mecanism de evitare a consangvinizării este chiar sistemul dioic de sexualizare, care împiedică apariţia autofecundării dar nu poate opri încrucişările între indivizi cu un grad ridicat de rudenie. Un alt mecanism ţine de fenologia înfloririi. Astfel, maturarea decalată a organelor reproducătoare femele şi mascule de pe acelaşi exemplar (dacă organele reproducătoare femele (carpelele) se maturizează înaintea celor mascule speciile se numesc protogine) constituie, de asemenea, o modalitate eficientă pentru evitarea autofecundării. Poziţionarea florilor femele în cazul speciilor de gimnosperme unisexuat monoice la vârful coroanei sau la periferia acesteia împiedică în mare măsură autofecundarea. În continuare, se vor prezenta şi alte mecanisme care au drept scop limitarea fenomenului de consagvinizarea. Este vorba în special de sistemele de incompatibilitate şi autosterilitate.

Incompatibilitatea

Prin incompatibilitate se înţelege imposibilitatea realizării anumitor tipuri de

încrucişare. Acest lucru se datorează existenţei unor bariere reproductive, de exemplu, între specii. În acest caz se discută despre aloincompatibilitate. Aloincompatibilitatea impiedică bastardizarea, hibridarea între specii, menţinându-se în acest fel „puritatea” speciei. În schimb autoincompatibilitatea împiedică autofecundarea în interiorul speciilor.

De autoincompatibilitate se poate vorbi numai la speciile de angiosperme monoice dar în special hermafrodite. Autoincompatibilitatea este controlată, de regulă, de unul sau mai mulţi loci denumiţi loci S (de la engl. self-incompatibility). Au fost descrise două sisteme de incompatibilitate: sistemul gametofitic în care alela din gamet (=gametofitul) determină incompatibilitatea şi sistemul sporofitic în care genotipul donatorului de polen (=sporofitul) determină incompatibilitatea.

La sistemul gametofitic (fig. 5.4.5 A) creşterea tubului polinic de tip Si sau Sj este inhibată de către orice arbore matern cu genotipul Si Sj. Tubul polinic cu tipurile Sk respectiv Sl se poate dezvolta normal. Toţi indivizii sunt heterozigoţi la locusul S. În multe cazuri există peste 20 de alele la locusul S. Acest sistem este frecvent la multe specii din familiile Rosaceae şi Fabaceae.

La sistemul sporofitic (fig. 5.4.5 B) genotipul arborelui donator de polen este determinant pentru germinarea sau nu a polenului pe stigmatul unei flori. Există două tipuri: homomorfic şi heteromorfic.

În cazul sistemului sporofitic homomorfic avem incompatibilitate la reproducere atunci când arborele donator de polen şi arborele matern au un genotip identic. Dar şi prezenţa unei singure alele comune conduce tot la incompatibilitate, aici fiind şi diferenţa faţă de sistemul gametofitic.

În sistemul sporofitic heteromorfic încrucişările între flori de acelaşi tip (homotipice) nu sunt posibile (fig. 5.4.6). Încrucişarea este permisă numai între flori cu pistilul scurt şi stamine lungi pe de-o parte şi flori având pistilul lung şi stamine scurte pe de altă parte.

92

A.

B.

Fig. 5.4.5 A. Sistemul gametofitic de incompatibilitate B. Sistemul sporofitic homomorfic de incompatibilitate (Boshier şi Young 2000)

Fig. 5.4.7 - Structura florii la heterostilie şi alele implicate (Steiner 1992)

93

Autosterilitatea

Prin incompatibilitate se împiedică anumite tipuri de încrucişare, şi în special autofecundarea, acţionându-se deci înainte de unirea gameţilor şi formarea zigotului. Autosterilitatea constă într-o selecţie puternică împotriva descendenţilor rezultaţi prin autofecundare, fiind un mecanism care acţionează după formarea zigotului, dar înainte de maturaţia seminţei, respectiv de germinaţia acesteia. Autosterilitatea poate fi considerată ca o formă timpurie şi adeseori accentuată de depresiune consangvină.

Autosterilitatea este determinată de o serie de loci cu funcţii foarte diferite şi apare la speciile care nu dispun de sisteme de incompatibilitate. De exemplu, la gimnosperme, autosterilitatea se manifestă prin proporţia ridicată de seminţe seci rezultate din autofecundare în comparaţie cu alte tipuri de încrucişare (tabel 5.4.6).

Tabelul 5.6.6: Valori estimative ale procentului de seminţe seci (Savolainen 1994)

Specia lemnoasă Autofecundare (%) Polenizare liberă sau încrucişare (%)

Pinus radiata 65,8 21,1 Pinus sylvestris 84,4 25,6 Picea abies 86,2 15,0 Pseudotsuga menziesii 92,1 32,8 Pinus resinosa 29,0 28,0 Picea omorika 67,6 47,7

Aşa cum rezultă din tabelul de mai sus, la primele patru specii de răşinoase procentul

de seminţe seci este de 3-5 ori mai ridicat în cazul autofecundării. La ultimele două specii diferenţele sunt mici sau aproape nule, fiind vorba de specii care posedă o variaţie genetică redusă, astfel că consangvinizarea are o incidenţă foarte scăzută.

94

5.5 Mutaţia Prin mutaţie, în sens larg, se înţelege o modificare a constituţiei genetice a unui individ transmisibilă celulelor-fiice şi, eventual, generaţiilor următoare. Aşa cum s-a văzut în capitolul al doilea, există mai multe tipuri de mutaţii, începând cu substituţia unui singure nucleotide, adiţia sau deleţia unor părţi din cromozomi sau a unui cromozom întreg şi terminând cu multiplicarea unui set complet de cromozomi (mutaţii genomice). În timp ce poliploidia a jucat un rol important în evoluţia speciilor de arbori, determinând apariţia unor specii noi, marea majoritate a variaţiei genetice din interiorul populaţiilor unei specii îşi are originea în mutaţiile genice. Acesta este şi motivul pentru care acest tip de mutaţie este cel mai studiat.

Deşi mutaţiile sunt considerate sursa primară a variaţiei genetice prezente în populaţii, fiind un proces esenţial în evoluţie, totuşi ele determină în mică măsură schimbări în frecvenţele alelelor, de la o generaţie la alta. Lipsa unor influenţe substanţiale pe termen scurt asupra structurii genetice a populaţiilor se explică prin faptul că mutaţiile spontane, naturale, sunt foarte rare. O frecvenţă foarte ridicată a mutaţiilor naturale ar constitui o “ameninţare” la adresa eredităţii (transmiterea cu mare fidelitate a informaţiei genetice de la părinţi la descendenţi).

În prezent, se apreciază că rata mutaţiilor detectabile este de numai 10-5 până la 10-6 mutaţii per genă şi per generaţie, ceea ce înseamnă că, pentru un locus (sin. o genă), o modificare spontană a unei alele, care să fie detectabilă (de ex. A1 � A2 sau A1 � A2), are loc la 1 din 100 000 sau 1 din 1 000 000 de gameţi produşi pe generaţie. S-a accentuat faptul că aceste valori se referă la mutaţiile detectabile, ştiindu-se că există şi mutaţii (vezi capitolul 2) care rămân de regulă ascunse, adică de exemplu afectează regiuni care nu codifică proteine sau nu se soldează cu includerea unui alt aminoacid în lanţul polipeptidic.

Marea majoritate a mutaţiilor nou apărute sunt dăunătoare, au efecte negative asupra fenotipului. Această situaţie se explică prin faptul că alela “sălbatică” (iniţială) este deja bine adaptată pentru funcţia pe care o are. De aceea, numai o mică parte din mutaţiile care apar sunt favorabile organismului şi contribuie la evoluţia sa. Un exemplu de mutaţie dăunătoare, care a ajuns să fie chiar letală, determinând moartea indivizilor purtători, este cea care determină blocarea biosintezei clorofilei la plantulele de Pinus ponderosa.

Caracterele poligenice (de ex. înăţimea arborelui) sunt mai susceptibile să fie afectate de mutaţii decât cele monogenice, deoarece o mutaţie care apare la una din multele gene care determină acel caracter va avea un efect asupra fenotipului. În aceste cazuri, rata cumulată a mutaţiilor pentru genele care influenţează un caracter (pot fi sute de gene) este în jur de 10-2 per gamet şi per generaţie. Mai mult, se consideră că aproximativ 50 % din aceste mutaţii afectează considerabil în sens negativ caracterul în cauză. Astfel numai unul din 200 de gameţi va fi purtătorul unei mutaţii neutre, favorabile sau în mică măsură dăunătoare.

Pentru a determina efectul mutaţiei asupra frecvenţelor alelelor, să presupunem că există două tipuri de alele: alele sălbatice, care codifică fenotipul normal, şi alele dăunătoare. De asemenea mutaţia poate avea loc de la alela sălbatică la alela dăunătoare (mutaţie “înainte”) dar şi invers de la alela dăunătoare la alela sălbatică (mutaţie “înapoi”). Mutaţiile “înainte” pot avea loc mult mai frecvent decât cele înapoi deoarece există mai

95

multe modalităţi care să determine proasta funcţionare a unei alele decât prin care să se “repare”.

Presupunând că rata mutaţiei din alela sălbatică (A1 cu frecvenţa p în populaţie) în alela dăunătoare (A2) este u, iar rata mutaţiei înapoi este v, frecvenţa alelei A2 (q) se va modifica la trecerea de la o generaţie la alta după următoarea formulă:

∆q = up – vq = u (1-q) – vq = u – q(u+v)

Valoarea maximă a lui ∆q este u, atunci când q=0 iar valoarea minimă este v când q=1.

În consecinţă, ∆q are valori foarte mici, rezultat care susţine afirmaţia anterioară că mutaţia are o influenţă redusă asupra frecvenţelor alelelor unui locus într-o singură generaţie.

Ţinând cont că impactul acestor mutaţii în fiecare generaţie este mic şi că mutaţiile reprezintă sursa primară a variaţiei genetice în populaţiile naturale, nivelul ridicat de variaţie genetică care caracterizează speciile de arbori trebuie să se fi acumulat într-un timp îndelungat, necesitând foarte multe generaţii. Acest fapt subliniază importanţa

conservării variaţiei genetice mari, existente în populaţiile actuale, pentru că o dată

pierdută această variaţie, va fi imposibil de refăcut într-un timp scurt.

96

5.6 Fluxul de gene

Introducerea de variante genetice noi într-o populaţie se poate realiza în două moduri:

prin mutaţie sau prin flux de gene dintr-o altă populaţie. Deoarece arborii şi gameţii femeli sunt “imobili”, „genele” pot fi răspândite în spaţiu prin intermediul gametului mascul (grăunciorul de polen) sau prin sămânţă, respectiv fructul care conţine sămânţa. Prin flux de gene în sens larg se înţelege răspândirea informaţiei genetice atât prin polen cât şi prin seminţe. Fluxul de gene în sens strict se referă numai la fluxul de gene prin polen, iar prin migraţie se înţelege fluxul de genotipuri, adică răspândirea informaţiei genetice prin seminţe.

Consecinţele schimbului de gene

Schimbul intens de informaţie genetică are drept rezultat o nivelare a structurilor genetice populaţionale, ceea ce conduce la o scădere a diferenţierii genetice între acestea (măsurată cu ajutorul indicelui GST). Dimpotrivă, o izolare perfectă, corelată cu fenomene de selecţie şi derivă genetică în interiorul populaţiilor, va avea ca efect o creştere a diferenţierii genetice. Unul din modelele propuse pentru a deduce numărul de migranţi dintr-o populaţie în alta, pe baza indicelui de diferenţiere genetică, este modelul “insulă” a lui Wright. Conform acestui model avem: GST = 1/(1+4Ne m) în care GST este indicele de diferenţiere genetică;

Ne – mărimea efectivă a populaţiei (de regulă într-o populaţie nu toţi indivizii participă la reproducere, de aceea, numărul efectiv de arbori este în realitate mai mic decât numărul de arbori maturi); m – rata migraţiei; Nem – numărul de migranţi pe generaţie.

Totuşi acest model presupune îndeplinirea mai multor condiţii pentru a furniza

rezultate viabile şi este folosit, în special, în studiile efectuate asupra populaţiilor de animale, în care indivizii sunt mobili.

Studiile moderne privind fluxul de gene se bazează pe tehnologia markerilor genetici moleculari, cu precădere a microsateliţilor (SSRs) care relevă o variabilitate foarte ridicată în populaţiile de arbori. Printre cele mai cunoscute metode se numără analiza de părinţi (engl. parentage analysis), caz în care nu se cunoaşte nici arborele mamă şi nici arborele sursă de polen sau analizele de paternitate (engl. paternity analysis), atunci când este cunoscut arborele din care provin seminţele. Analizele efectuate în populaţii naturale, ca de exemplu în făgete din Germania, au arătat prezenţa unor structuri de familie, grupe de arbori înrudiţi, ceea ce sugerează că răspândirea informaţiei genetice are loc în multe situaţii pe un spaţiu limitat, în jurului arborelui mamă (Dounavi 2000).

97

Fluxul de gene prin polen

La plante, datorită “imobilităţii” gametului femel s-a ajuns la un transport al gametului mascul. Există diverse mecanisme prin care plantele îşi împrăştie polenul: prin vânt (anemogamie) şi respectiv prin intermediul unor animale (zoogamie). Un caz foarte întâlnit din ultima categorie este răspândirea prin intermediul insectelor (entomogamia).

Speciile anemofile de arbori, la care polenul se răspândeşte prin vânt, produc, de regulă, cantităţi însemnate de polen. Grăuncioarele de polen sunt uşoare şi nu se lipesc între ele. Totuşi, structura şi morfologia polenului diferă de la o specie la alta. Astfel, polenul de la brazi (Abies spp.) este de dimensiuni mari (110 - 160 µm) şi de aceea, foarte probabil, se dispersează pe distanţe mai mici comparativ cu cel de la alte specii: pini (Pinus spp.; cca. 50 µm) dar şi stejar pedunculat (Quercus robur: 25 µm) sau fag (Fagus sylvatica: 35 µm) (Schütt et al. 1992).

Anemogamia reprezintă o formă iniţială de răspândire a polenului, caracteristică în special gimnospermelor. La angiosperme dimpotrivă zoogamia are o pondere mai importantă, anemogamia apărând destul de frecvent în unele grupuri taxonomice. Astfel, fagul şi cvercineele sunt specii polenizate prin vânt.

Polenul poate fi transportat prin vânt pe distanţe mari, de ordinul zecilor sau chiar sutelor de kilometri, păstrându-şi viabilitatea. Efectele transportului de polen pe distanţe mari sunt evidenţiate de studii efectuate în Scandinavia (tabelul 5.6.1). Studiile genetice au estimat procente ridicate de contaminare cu polen străin (=polen provenind din arboretele învecinate) în livezi semincere de conifere, ceea ce pune sub semnul întrebării calitatea seminţelor produse în aceste culturi speciale.

Tabelul 5.4.1 Estimări ale procentului de contaminare cu polen străin în livezi semincere de clone.

Specia Procentul de contaminare Sursa

Pinus sylvestris 38 % Nagasaka and Szmidt 1985

Pinus taeda 37 % Friedman and Adams 1985 Pinus sylvestris 26 % Harju and Muona 1989

Picea abies 69-71 % Pakkanen et al. 2000

Picea abies 43-59 % Paule et al. 1993

Estimări ale distanţei medii de polenizare prin vânt s-au efectuat la o specie de stejar american. Astfel, un arboret de Quercus macrocarpa a fost cartat integral şi apoi analizat cu ajutorul a patru markeri genetici hipervariabli (SSRs). Toţi cei 62 de stejari de pe o suprafaţă de aproximativ 5 ha au fost eşantionaţi (fig. 5.6.1). În plus, s-au recoltat 282 de ghinde din trei arbori materni care s-au examinat, de asemenea, cu ajutorul SSRs. Rezultatele studiului indică o componentă importantă a transportului de polen pe distanţe mari (polen provenit din arboretele învecinate) - tabelul 5.6.2. Prin utilizarea markerilor genetici se reuşeşte surprinderea fluxului efectiv de gene (a gameţilor masculi care au participat la fecundare) din şi între populaţiile de arbori.

98

Fig. 5.6.1 – Trei arbori mamă şi arborii sursă de polen în fiecare din cele trei cazuri pentru un arboret de Quercus macrocarpa (Dow şi Ashley 1998)

Tabelul 5.6.2 Rezultatele analizei de paternitate înntr-un arboret de Quercus macrocarpa

Numărul arborelui mamă

Procentul minim de polen din afara

arboretului

Numărul minim de arbori donatori

de polen (n)

Distanţa medie de polenizare (m)

3E 51 % 20 68,6

17M 63 % 17 79,6 33W 58 % 18 64,3

Media/total 57 % 38 70,8

Zoogamia apare la speciile de diseminaţie, care sunt reprezentate de numai câteva exemplare mature pe hectar. Zoogamia este caracteristică pentru familia Rosaceae (de ex. la genurile Sorbus, Prunus, Malus, Pyrus). Este, de asemenea, foarte răspândită la speciile tropicale de arbori, care prezintă adesea 1-2 indivizi pe 1 ha de pădure. Transportul polenului prin intermediul animalelor este mai eficient şi mai bine orientat decât cel prin vânt. Mai mult, se pare că există o preferinţă a unor specii de animale pentru anumite specii de arbori. În plus, zoogamia apare la arborii cu flori hermafrodite, spre deosebire de speciile anemofile care sunt preponderent unisexuat-monoice. De data aceasta polenul este lipicios ceea ce permite ataşarea grăuncioarelor de polen de corpul insectelor polenizatoare. Există şi specii de arbori unde polenizarea are loc atât prin vânt cât şi prin intermediul insectelor (de ex. Eucalyptus spp., Castanea spp.). În pădurea temperată cei mai importanţi vectori ai polenului sunt himenopterele (albinele şi viespile) şi mai rar lepidopterele (fluturii). În pădurea tropicală un rol important îl au şi unele animale, cum ar fi mamiferele mici (de ex. liliecii), păsările, dar şi multe insecte.

99

Migraţia

Migraţia reprezintă fluxul de gene prin intermediul seminţelor, separat sau împreună cu fructul (în cazul angiospermelor). Se mai numeşte şi flux de genotipuri deoarece este vorba de răspândirea unor combinaţii de două alele, pentru fiecare locus, rezultate în urma fecundării. Distanţele de transport depind foarte mult de vectorul de transport. Ca şi în cazul polenului există mecanisme biotice şi abiotice de diseminare. Dintre cele abiotice, cel mai important este vântul (anemochoria) sau prin intermediul apei (hidrochoria). Printre speciile anemochore se numără mesteacănul (Betula pendula) şi anini (Alnus spp.). În cazul speciile cu fructe grele, cum ar fi stejarii sau fagul, marea majoritate a fructelor rămân în jurul arborilor mamă.

În ceea ce priveşte mecanismele biotice, diseminarea se face, în special, cu ajutorul mamiferelor şi păsărilor. În cazul diseminării endozoochore, fructele (seminţele) sunt mai întâi consumate (în special drupele, în cazul rosaceelor) şi apoi eliminate, de multe ori în acelaşi loc, ca de exemplu la locul de repaus al păsărilor respective. La diseminarea exozoochoră, fructele (seminţele) nu mai sunt consumate ci sunt transportate prin prinderea de cioc (la păsări) sau de blană (la anumite mamifere).

Distanţele de diseminare depind în mare măsură de agenţii care participă la răspândirea fructelor. În ultimii ani, s-a reuşit identificarea arborelui mamă pentru fructele culese de pe suprafaţa solului, şi deci estimarea distanţelor de diseminare, prin simpla comparare a ADN-ului izolat din endocarpul fructelor cu ADN-ul prevenit de la arborii din zona de studiu. Acest lucru este posibil deoarece endocarpul provine din ovarul arborelui mamă, spre deosebire de sămânţă care are ADN-ul ambilor părinţi.

Un studiu efectuat recent într-un arboret cu vişin turcesc (Prunus mahaleb) a arătat că majoritatea fructelor (>55%) se găsesc în imediata apropiere a genitorului matern (<10 m– fig. 5.6.2. Cu ajutorul markerilor genetici s-a determinat genotipul la 180 de arbori şi 95 de fructe (din endocarp). În 82% din cazuri, 78 de fructe, s-a reuşit identificarea arborelui mamă în interiorul arboretului. În 18% din cazuri însă, fecundarea s-a făcut cu polen din afara arboretului, fluxul de genotipuri (informaţie genetică) din alte arborete fiind destul de ridicat.

Fig. 5.6.2 – Distanţele de diseminare estimate cu ajutorul markerilor genetici într-un arboret de

Prunus mahaleb

0

10

20

30

40

50

60

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

m

%

100

Recolonizarea postglaciară a speciilor de arbori din Europa Acum circa 15 000 de ani, la sfârşitul ultimei glaciaţiunii, speciile de arbori care au supravieţuit în refugiile glaciare din sudul continentului european (peninsula Iberică, sudul Italiei şi sudul Balcanilor) au început să recolonizeze teritoriile central şi nord-europene. Până nu de mult, datele despre căile de recolonizare postglacială se bazau exclusiv pe rezultatele obţinute din analiza polenului din turbării. În ultimii ani însă, cu ajutorul markerilor genetici moleculari cunoştinţele despre istoria postglaciară a speciilor de arbori s-a îmbunătăţit substanţial. De mare ajutor în acest demers au fost markerii cloroplastici, care se transmit la angiosperme pe linie maternă. Astfel, s-au putut reconstrui, spre exemplu în cazul stejarilor, liniile materne după multe generaţii precum şi căile de migrare către nordul continentului european (fig. 5.6.3 şi 5.6.4). Hărţi similare s-au obţinut şi la alte specii de foioase din Europa (de ex. frasini, fag).

Fig. 5.6.3 - Distribuţia spaţială a diverselor grupe (“lineages”) de haplotipuri cloroplastice la

stejari (Petit et al. 2002, proiectul Fairoak)

Fig. 5.6.4 - Rutele de migrare postglaciale ale stejarilor în Europa

pe baza analizei ADNcp din populaţiile actuale (Petit et al. 2002, proiectul Fairoak)

101

La cvercinee s-au identificat în total peste 42 de tipuri cloroplastice numite şi

haplotipuri (combinaţii de alele de la diferite gene cloroplastice) cu ajutorul tehnicii PCR-RFLP (vezi markerii genetici). Haplotipurile cloroplastice au putut fi ordonate, pe baza asemănării lor, în grupe (“lineages”). În foarte multe cazuri a fost observat un singur haplotip cloroplastic pe populaţie (un cerc de o singură culoare pe hartă), semn că arborii acelor populaţii provin din unul sau foarte puţini strămoşi cu acelaşi haplotip. S-au estimat valori foarte mari pentru indicele de diferenţiere genetică (GST =0,82), ceea ce sugerează un flux de gene foarte redus la nivelul ADN-ului cloroplastic. Transmiterea pe linie maternă a ADNcp, prin ghinde, a condus la un amestec relativ redus de haplotipuri. Acest studiu a indicat o structurare pe regiuni geografice a ADNcp, ceea ce face posibilă determinarea refugiului glaciar din care provin arborii unei populaţii actuale. Populaţiile în care s-au identificat mai multe haplotipuri cloroplastice, originare din refugii glaciare diferite, sunt foarte probabil întemeiate artificial.

102

5.7 Selecţia

Selecţia naturală reprezintă unul dintre factorii care erodează variaţia genetică a populaţiilor, constituind totodată un adevărat „motor” al evoluţiei, prin care arborii se adaptează la mediul lor de viaţă. Teoria selecţiei naturale elaborată de Darwin are la bază lupta pentru existenţă şi supravieţuirea celor mai apţi. Selecţia are un rol central în genetica ecologică (genecologie), disciplina care face legătura între două domenii fundamentale ale biologiei, genetică şi ecologie, şi care are ca obiect studiul relaţiilor dintre structurile genetice şi condiţiile de mediu, în vederea stabilirii cauzelor de natură ecologică ale adaptării şi variabilităţii organismelor.

Deşi selecţia acţionează asupra fenotipurilor, care sunt rezultatul mai multor gene, consecinţele selecţiei sunt cel mai bine înţelese atunci când ne concentrăm pe modificările pe care le determină asupra frecvenţelor alelelor la un singur locus. Selecţia acţionează întotdeauna asupra unui număr limitat de gene, spre deosebire de deriva genetică sau migraţia, care acţionează asupra întregului genom, deci efectele lor afectează în egală măsură toate genele. Totuşi, datorită fenomenului de transmitere înlănţuită a genelor situate pe acelaşi cromozom, selecţia are efect indirect şi asupra altor gene, care nu au valoare adaptativă, dar care sunt situate în imediata vecinătate a genelor selectate. Acest efect asupra genelor neutre din punct de vedere selectiv se numeşte “autostop genetic” (engl. hitchhiking).

Fitness-ul (valoarea adaptativă)

La organismele superioare, cu înmulţire sexuată, genele se transmit de la o generaţie la alta prin intermediul gameţilor. “Succesul genetic” sau fitness-ul (=valoarea adaptativă) unui individ se determină în funcţie de numărul de gameţi masculi şi/sau femeli produşi de acesta în decursul vieţii. Sunt luaţi însă în considerare numai gameţii “de succes”, cei care au dus la formarea unui zigot. Având în vedere numărul mare de gameţi produşi de un arbore în decursul existenţei sale, precum şi răspândirea prin polen pe distanţe mari a gameţilor masculi, estimarea fitness-ului este o operaţiune foarte dificilă.

Valoarea fitness-ului unui individ este influenţată de o serie de gene, numite gene

adaptative, dar şi de condiţiile de mediu, altfel spus fitness-ul nu se găseşte sub un control genetic strict. Acelaşi genotip poate avea un fitness diferit în condiţii diferite de mediu. Dacă există diferenţe în privinţa fitness-ului între genotipuri, se ajunge la o modificare a structurii genetice, de la o generaţie la alta, prin reproducere diferenţiată. Această modificare determinată de către factorii de mediu se numeşte selecţie naturală.

Doi factori determinanţi afectează fitness-ului unui genotip: 1. Viabilitatea sau capacitatea de supravieţuire. Viabilitatea unui genotip se exprimă ca

probabilitate de supravieţuire sau rată de supravieţuire (de ex. 0,80 sau 80%) a unui genotip până la o anumită vârstă X. Întrucât supravieţuirea indivizilor până la vârsta maturităţii este o premisă pentru reproducere, evident că o rată diferită de supravieţuire va avea un efect asupra fitness-ului indivizilor. Selecţia care acţionează în intervalul de timp respectiv şi care conduce la eliminarea indivizilor mai puţin viabili se numeşte selecţie de viabilitate.

103

2. Fertilitatea se referă la numărul de gameţi produşi de un genotip. Chiar şi la aceeaşi rată de supravieţuire, indivizii unei populaţii se deosebesc în privinţa fitness-ului, în măsura în care produc un număr diferit de gameţi. Deosebirile între indivizi în privinţa fitness-ului, se referă în principiu, la întreaga durată de viaţă. Totuşi, în cazul arborilor, care sunt plante policarpice (sin. iteropare) – se reproduc de mai multe ori pe parcursul vieţii – determinarea fitness-ului s-a făcut adeseori pentru un singur an de înflorire şi fructificaţie, şi nu pentru toată durata lor de viaţă.

Atât viabilitatea cât şi fertilitatea sunt caracteristici care depind de zestrea genetică a individului respectiv, deci de genotipul lui, dar care sunt influenţate şi de condiţiile de mediu.

Determinarea viabilităţii absolute (vij) a unui genotip Ai Aj, într-un interval de timp x, se face cu formula:

în care Nij reprezintă numărul de indivizi cu genotipul Ai Aj la începutul perioadei de

observaţie respectiv la sfârşitul acestei perioade. Pentru a înţelege mai bine modalitatea de calcul a viabilităţilor, fie cazul ipotetic al

unei populaţii care s-a regenerat natural. Viabilitatea celor trei genotipuri (A1A1, A1A2, A2A2) este probabilitatea de a supravieţui la vârsta maturităţii (x=vârsta maturităţii). Viabilităţile absolute sunt 0,80 pentru genotipul A1A1, 0,80 pentru genotipul A1A2 şi respectiv 0,20 pentru genotipul A2A2. Se observă că nici unul dintre cele trei genotipuri nu are şanse maxime (100%) de a supravieţui până la vârsta maturităţii, în timp ce genotipul A2A2 este cel mai puţin viabil (tabelul 5.7.1.).

În continuare se calculează viabilitatea fiecărui genotip în termeni relativi, prin împărţirea viabilităţilor absolute la valoarea celui mai viabil dintre genotipuri. De exemplu, genotipul A2A2 are viabilitatea relativă 0,20/0,80 = 0,25, sau 25% din cea a celorlalte genotipuri. Aşa cum s-a văzut anterior, viabilitatea reprezintă numai prima componentă a fitness-ului. Fertilitatea poate influenţa şi ea fitness-ul celor trei genotipuri. În acest exemplu însă, pentru simplificare, se presupune că toate genotipurile au aceeaşi capacitate de reproducere. De aceea, în acest caz, viabilitatea relativă reprezintă chiar fitness-ul relativ.

Tabelul 5.7.1 – Exemplu ipotetic de modificare a frecvenţelor alelelor prin selecţie direcţională Genotipul A1A1 A1A2 A2A2 Total Frecvenţa iniţială 0,360 0,480 0,160 1,000 Viabilitatea absolută (fitness-ul) 0,80 0,80 0,20 Viabilitatea relativă (fitness-ul) 1 1 0,25 Proporţia după selecţie 0,360 0,480 0,040 0,880 Frecvenţa după selecţie 0,409 0,546 0,045 1,000

10)(

)(

≤=≤Initial

ij

Final

ij

ijN

Nv

104

În mod uzual se estimează şi viabilitatea pentru întreaga populaţie (v), ca medie ponderată a valorilor viabilităţii tuturor genotipurilor din populaţia respectivă. Observarea unor diferenţe semnificative între valorile viabilităţii pentru diverse genotipuri sau dacă valoarea raportului vij /v << 1 pentru anumite genotipuri şi vij /v >> 1 pentru altele, constituie o dovadă a acţiunii selecţiei de viabilitate la gena observată. În acest caz, gena respectivă este considerată ca fiind adaptativă, adică contribuie la adaptarea populaţiei la condiţiile specifice de mediu.

Selecţia direcţională

Fie un locus genic adaptativ cu două alele, A1 şi A2. La acest locus genic vom avea trei genotipuri (A1A1, A1A2, A2A2) fiecare cu o anumită viabilitate (v11, v12 şi v22). Pentru simplificare, se consideră că toate cele trei genotipuri au aceeaşi fertilitate, deci diferenţele în privinţa fitness-ului sunt date numai de diferenţele existente în privinţa viabilităţii. Selecţia depinde în acest caz de fitnessul relativ. Intensitatea de acţiune a selecţiei se exprimă prin coeficientul de selecţie, care se notează cu s şi redă rata de eliminare a unui genotip. Dacă s = 1, toate exemplarele aparţinând genotipului respectiv vor fi eliminate, iar dacă s = 0,5, doar 50% dintre acestea vor fi afectate de acţiunea selecţiei. Valorile coeficientului de selecţie variază între 0 şi 1.

Să presupunem că genotipul A1A1 are fitness-ul relativ cea mai mare (1), altfel spus are un avantaj selectiv faţă de celelalte două genotipuri. Coeficienţii de selecţie s1 (pentru genotipul A1A2) şi s2 (pentru genotipul A2A2) se calculează în funcţie de fitness-ul genotipurilor cu ajutorul relaţiilor:

v12 = (1-s1) v11 şi v22 = (1-s2) v11 În funcţie de mărimea celor doi coeficienţi de selecţie, s1 şi s2, se pot deosebi

următoarele cazuri (fig. 5.7.1): 1. s1 = 0 (şi 0 < s2 ≤ 1): dominanţă completă pentru A1; 2. s1 < ½ s2 : A1 dominantă incomplet (parţial) faţă de A2; 3. s1 = ½ s2 : intermediaritate; 4. s1 > ½ s2: A2 dominantă incomplet (parţial) faţă de A1; 5. s1 = s2: dominanţă completă pentru A2 (recesivitate pentru A1); 6. s1 > s2: subdominanţă instabilă. Datele din tabelul 5.7.1 se referă la cazul 1, în care s1 = 0, şi deci genotipurile A1A1 şi

A1A2 prezintă o valoarea maximă a fitness-ului relativ (1), alela A1 fiind dominată faţă de alela A2 şi responsabilă de avantajul selectiv al indivizilor care o posedă. În acest caz s2 = 1

- v22 / v11 = 1 - 0,25 = 0,75. Proporţia după selecţie a fiecărui genotip se obţine prin înmulţirea frecvenţei iniţiale (înainte de selecţie) cu valoarea relativă a fitness-ului. Astfel proporţia după selecţie, în cazul genotipului A2A2 va fi 0,16 x 0,25 = 0,04, în timp ce

105

proporţia celorlalte genotipuri nu se va modifica (vezi tabelul 5.7.1). În final, frecvenţa genotipurilor după selecţie se va obţine prin împărţirea proporţiei genotipului după selecţie la suma celor trei proporţii (0,880). De exemplu, frecvenţa după selecţie a genotipului A2A2 va fi 0,040/0,880 = 0,046.

Cu ajutorul coeficienţilor de selecţie, precum şi a frecvenţelor iniţiale ale alelelor (p1 şi p2) se poate stabili valoarea frecvenţei alelei A2 în generaţia următoare (p’2). Astfel, în cazul selecţiei direcţionale în favoarea genotipurilor A1A1, avem următoarea formulă:

Fig. 5.7.1: Diferite forme de dominanţă în funcţie de marimea şi raporturile dintre coeficienţii de selecţie pentru cazul în care homozigotul A1A1 are fitness-ul cel mai mare (1) dintre cele trei

genotipuri exsitente. Mărimea şi raportul dintre coeficienţii de selecţie (s1, s2) determină cât de repede se vor

modifica frecvenţele alelelor de la o generaţie la alta, în urma selecţiei direcţionale. Spre exemplu, dacă alela rară A1 este dominantă complet faţă de A2, şi este preferată din punct de vedere selectiv (are loc o selecţie în favoarea homozigoţilor dominanţi A1A1 şi a heterozigoţilor A1A2, şi implicit împotriva homozigoţilor recesivi A2A2), se va ajunge la o creştere accentuată a frecvenţei acestei alele în câteva generaţii de selecţie (fig. 5.7.2). În schimb alela dezavantajată de selecţie (A2) nu va dispărea niciodată din populaţie, dacă mărimea populaţiei rămâne suficient de mare, deoarece această alelă continuă să fie prezentă în heterozigoţi, fiind astfel „mascată”. În cazul în care alela favorizată de selecţie (A1) este recesivă (are loc o selecţie în favoarea homozigoţilor recesivi A1A1 sau împotriva homozigoţilor dominanţi A2A2 şi a heterozigoţilor A1A2), frecvenţa ei va creşte foarte încet la început faţă de cazul de dominanţă (vezi în special cazurile b şi c). După aceea însă, va ajunge la frecvenţă maximă (1) dacă selecţia continuă un număr suficient de mare de generaţii.

222121

222121'

2 21

)1()1(

spspp

spsppp

−−−+−

=

106

(a)

(b)

(c)

Fig. 5.7.2 – Exemple de selecţie direcţională. Modificarea frecvenţei relative a unei alele rare A1 pe parcursul a 100 de generaţii, pornind de la frecvenţa iniţială de (a) p1=0.10 (c) p1=0.01 sau (c) p1=0.002, în cazul în care această alelă posedă un avantaj selectiv (determină un fitness ridicat). S-au luat în considerare două cazuri: primul în care alela A1 este recesivă (s1=s2=0,90) şi al doilea când alela A1 este dominantă faţă de A2 (s1=0).

Selectia

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97

100

Generatia

p (1)

Recesivitate A1

Dominanta A1

Selectia

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97

100

Generatia

p (1)

Recesivitate A1

Dominanta A1

Selectia

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97

100

Generatia

p (1)

Recesivitate A1

Dominanta A1

107

În concluzie, prin selecţia direcţională are loc avantajarea unei anumite alele (de ex. A1), a cărei frecvenţă va creşte continuu de-a lungul generaţiilor. Denumirea de direcţională trebuie înţeleasă ca o deosebire majoră faţă de deriva genetică, unde modificările frecvenţei alelelor sunt întâmplătoare, neorientate sau nedirecţionate. Modelele prezentate anterior iau în calcul o presiune selectivă constantă din partea mediului. În cazul încrucişării randomizate existente în populaţiile de arbori, selecţia elimină într-un ritm lent alelele dăunătoare, dar nu va reuşi niciodată se le elimine complet, deoarece ele continuă să apară în populaţie, prin mutaţie recurentă din alela „normală”, favorabilă. În cele mai multe cazuri se ajunge la un echilibru între selecţie şi mutaţie la nivelul unei populaţii.

Acest tip de selecţie conduce la creşterea gradului de adaptare la condiţiile de mediu, prin reducerea variaţiei genetice la genele cu relevanţă pentru adaptare.

Selecţia stabilizatoare

Dacă la selecţia direcţională heterozigoţii erau intermediari sau egali cu homozigoţii în ce priveşte fitness-ul, în cazul cel mai frecvent de selecţie stabilizatoare, heterozigoţii au un fitness mai mare decât al homozigoţilor. În cazul unui locus cu două alele, avem de data aceasta un caz de supradominanţă, adică de superioritate a heterozigoţilor A1A2 asupra homozigoţilor A1A1 şi A2A2. Fitness-ul relativ este maxim (=1) pentru genotipul heterozigot A1A2 (fig. 5.7.3).

Fig. 5.7.3 – Selecţia în favoarea heterozigoţilor Frecvenţa alelei A2 (p’2) în generaţia următoare va fi: Aşa cum se observă figura 5.7.4, selecţia stabilizatoare are drept rezultat un

polimorfism stabil şi nu tendinţa de eliminare din populaţie a uneia sau alteia dintre alele. În timp se ating nişte frecvenţele de echilibru, care depind numai de valoarea coeficienţilor de selecţie, şi nu de frecvenţele iniţiale ale celor două alele, după cum urmează:

În concluzie, acest tip de selecţie menţine polimorfismul în cazul genelor adaptative şi

nu determină, ca în cazul precedent, o reducere a variaţiei genetice. Mai sunt şi alte forme ale selecţiei stabilizatoare, cum ar fi selecţia dependentă de frecvenţă sau selecţia diversificatoare, care însă nu fac obiectul acestui curs.

222

211

22221'

2 1

)1(

psps

psppp

−−−+

=

21

21ˆ

ss

sp

+=

21

12ˆ

ss

sp

+=

108

a.

b.

Fig. 5.7.4 – Exemple de selecţie stabilizatoare prin avantajarea heterozigoţilor în cazul unei gene cu două alele: (a) p1 = 1%, s1 = s2 = 0,1; (b) p1 = 10%, s1 = 0,1; s2 = 0,9:

Selectie - avantaj pentru heterozigoti

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97

100

Generatia

frecventa

rela

tiva p

(1);

p(2

)

p1 p2

Selectie - avantaj pentru heterozigoti

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97

100

Generatia

frecventa

rela

tiva p

(1); p

(2)

p1 p2

109

Adaptarea Adaptarea (engl. adaptation) este procesul care conduce la un grad ridicat de adaptare. Prin grad de adaptare (engl. adaptedness) se înţelege măsura în care un organism supravieţuieşte şi se reproducere în condiţii de mediu specifice. De cele mai multe ori condiţiile de mediu nu rămân neschimbate în timp şi spaţiu, iar în special speciile de arbori, trebuie să facă faţă, pe parcursul existenţei lor, unor variaţii însemnate ale condiţiilor de mediu. De aceea, foarte importantă este şi adaptabilitatea (engl. adaptability), care reprezintă capacitatea (abilitatea) unui organism de a reacţiona la o modificare a condiţiilor de mediu, şi deci de a atinge o nouă stare de maximă supravieţuire şi reproducere.

O populaţie atinge un grad maxim de adaptare atunci când toţi indivizii acelei populaţii prezintă o valoare maximă a fitness-ului. Această stare implică însă lipsa totală a variaţiei genetice cu relevanţă pentru fitness din populaţie. O astfel de populaţie ar trebui să fie alcătuită dintr-un singur genotip, cel care manifestă valoarea maximă a fitness-ului într-un mediu dat. Estimarea gradului de adaptare la arbori se poate face în culturi experimentale, dar numai în strânsă corelaţie cu factorii de mediu specifici. O populaţie îşi poate pierde această stare de maximă adaptare atunci când condiţiile de mediu se modifică.

Pe de altă parte, un potenţial ridicat de adaptare al unei populaţii necesită existenţa variaţiei genetice la genele relevante pentru adaptare. Populaţiile “sărace” în variaţie genetică prezintă în consecinţă un potenţial redus de adaptare la noile condiţii de mediu. Nivelul de variaţie genetică, estimat cu ajutorul markerilor genetici, poate fi considerat un indicator al adaptabilităţii unui organism.

Adaptarea populaţiilor se face prin modificarea structurilor genetice de către selecţie, proces care are drept rezultat o frecvenţă sporită a genotipurilor cu un fitness ridicat. Premisa adaptării o reprezintă însă existenţa variaţiei genetice la genele cu relevanţă pentru adaptare.

Pe de-o parte, valoarea maximă pentru fitness-ul unei populaţii impune existenţa unui singur genotip, cel cu valoarea cea mai ridicată a fitness-ului, iar pe de altă parte, adaptabilitatea ridicată presupune existenţa variaţiei genetice. Variaţia genetică, care se menţine, de exemplu, prin selecţie stabilizatoare, şi are deci relevanţă adaptativă, determină scăderea gradului de adaptare într-un mediu dat şi poate fi considerată ca un balast genetic (engl. genetic load) dar constituie, în acelaşi timp, o premisă absolut necesară pentru adaptarea viitoare a populaţiei la schimbările de mediu (Gregorius 1991). Acest balast genetic este preţul pe care trebuie să-l plătească organismele pentru a putea evolua atunci când se schimbă condiţiile de mediu.

Observarea proceselor de selecţie şi adaptare în populaţiile de arbori presupune indentificarea unor gene aflate în strânsă legătură cu fitness-ul, numite şi gene adaptative, sau în legătură indirectă, aşa numitele gene asociate (linkate). Dintre markerii genetici cei mai utilizaţi în domeniul forestier, aloenzimele sunt considerate potenţial adaptative (sau markeri semiadaptativi) în timp ce microsateliţii (secvenţele simple repetitive) sunt consideraţi neutri din punct de vedere adaptativ. Clasificarea aloenzimelor, ca markeri cu potenţial adaptativ, porneşte de la considerentul că aceşti markeri genetici codifică sinteza unor enzime, care catalizează căi importante din metabolism, lucru care nu este valabil pentru secvenţele simple repetitive.

110

Inventarierile genetice permit estimarea în mică măsură a potenţialului de adaptare al unei populaţii, interpretarea rezultatelor trebuind făcută cu prudenţă. Parametrii multiplicităţii genetice (de ex. A/L) sunt mai indicaţi în acest caz decât cei ai diversităţii (de ex. He).

Arborii sunt specii cu ciclu lung de viaţă, organisme imobile expuse unei heterogenităţii ridicate a condiţiilor de mediu. Întrucât prin gospodărirea pădurilor se realizează un control redus al condiţiilor de mediu şi pădurea cultivată este expusă aceleaşi heterogenităţi a mediului ca şi pădurea naturală. Fertilitatea ridicată a arborilor, i.e. producţia ridicată de seminţe, are drept rezultat un potenţial ridicat de selecţie în stadiul juvenil. Această situaţie permite o modificare rapidă şi radicală a structurilor genetice, la genele cu importanţă adaptativă, astfel încât arborii care ating vârsta maturităţii sunt foarte bine adaptaţi la condiţiile staţionale specifice.

Menţinerea adaptabilităţii populaţiilor de arbori, mai ales în contextul schimbărilor climatice, este o chestiune de importanţă majoră. Variabilitatea genetică ridicată, caracteristică majorităţii populaţiilor de arbori, se explică şi din această perspectivă. Gospodărirea durabilă a pădurilor trebuie să aibă în vedere, în primul rând, intervenţii care să nu afecteze variaţia genetică existentă în populaţiile naturale de arbori (Müller-Starck et al. 2000).

111

5.8 Deriva genetică Modificarea frecvenţei genelor în populaţie pe seama întâmplării, şi nu ca efect al selecţiei se numeşte derivă genetică (engl. genetic drift). În fapt, fluctuaţia întâmplătoare, neorientată, a frecvenţei genelor, caracteristică acestui fenomen, este determinată de existenţa unor accidente de eşantionaj în producerea gameţilor (aşa-numitele „erori de extragere a probei de gameţi”) care dau naştere generaţiei următoare. Un număr mic de gameţi este foarte probabil mai puţin reprezentativ pentru structura genetică a populaţiei parentale decât este un număr mare de gameţi. Deşi acest fenomen se manifestă în toate populaţiile, indiferent de mărimea lor, efectele lui sunt vizibile în populaţiile mici şi izolate.

Modificările frecvenţei genelor, de la o generaţie la alta, vor fi cu atât mai mari, cu cât populaţiile sunt alcătuite dintr-un număr mai mic de exemplare. Astfel de oscilaţii ale frecvenţelor pot fi simulate pentru un număr mare de generaţii, prin utilizarea unor pachete software speciale, ca de exemplu POPULUS (Alstad 2000).

Efectele în plan genetic ale derivei genetice În urma derivei genetice în populaţii de mărime mică, într-o generaţie oarecare şi la o anumită genă, frecvenţa unei alele poate atinge valori extreme (1 sau 0). Atunci când într-o populaţie frecvenţa unei alele devine 1 (sau 100%) avem un fenomen de fixare. Ca urmare gena devine monomorfă. Pentru fiecare alelă din populaţie se poate calcula o probabilitate de fixare respectiv de dispariţie. Această probabilitate depinde de efectivul populaţiei, precum şi de frecvenţa relativă a alelei respective.

Spre exemplu, probabilitatea de fixare a unei alele Ai, care are frecvenţa pi = 0,75 într-o populaţie alcătuită din numai doi indivizi, în condiţiile în care mărimea populaţiei rămâne constantă de la o generaţie la alta, este P= 0,3164. Probabilitatea de dispariţie din aceeaşi populaţie a alelei Ai , pi = 0,75, este foarte mică: P= 0,0039. O dată dispărută din populaţie, o alelă poate reapare numai prin flux de gene şi genotipuri (migraţie) respectiv prin mutaţie recurentă (repetabilă).

Simulări ale fenomenului de derivă genetică, cu ajutorul sofware-ului POPULUS, în cazul a două populaţii de mărime diferită (N=6 şi N=50), arătă că în populaţiile mici (N=6), riscul de dispariţie/fixare a genelor, şi deci de ajungere la o stare ireversibilă, este evident mai mare (fig. 5.8.1 A şi B). Totuşi, în cazul arborilor, o mărime a populaţiilor de 50 până la 100 de indivizi, precum şi distanţele mari între generaţii fac ca această stare ireversibilă să se realizeaze foarte încet.

Consideraţiile de mai sus pleacă de la premisa că mărimea populaţiei rămâne constantă în timp (Nt = Nt+1). În realitate însă, în foarte multe situaţii, mărimea populaţiilor variază de la o generaţie la alta. O reducere masivă a efectivului unei populaţii, urmată de o extindere (refacere) într-una sau mai multe generaţii se numeşte efectul gât de sticlă (engl. bottleneck

effect) – fig. 5.8.2.

112

A.

B.

Fig. 5.8.1: Rezultatele simulărilor efectuate cu ajutorul software-ului Populus arată că în cazul unei populaţii de mărime foarte mică (N=6), după 30 de generaţii, se poate ajunge la fixarea a cinci din cele şase gene luate în considerare, gene care iniţial au avut aceeaşi frecvenţă (=0.5). Dimpotrivă, în cazul unei populaţii suficient de mari (N=50), niciuna din gene nu ajunge la fixare după 30 de generaţii, dar totuşi frecvenţele alelelor diferă substanţial, de la o genă la alta, deşi, iniţial au avut aceeaşi frecvenţă (=0.5).

113

Fig. 5.8.2: Efectul “gât de sticlă” (sursa: Wikipedia)

Efectul “gât de sticlă” este asociat cu pierderi însemnate de variaţie genetică. În special

parametrii multiplicităţii alelice (PPL sau A/L) sunt mai sensibili la acest fenomen, în timp ce parametrii diversităţii genetice (Ae sau He) sunt mai puţin afectaţi.

Riscul de pierdere (v) al unei alele rare depinde foarte mult de mărimea populaţiei la momentul gâtului de sticlă. Dacă din populaţia actuală se extrage un eşantion de mărime egală cu populaţia la momentul gâtului de sticlă, se poate calcula probabilitatea ca o alelă să nu fie extrasă, presupunându-se o combinare întâmplătoare a alelelor în genotipuri (existenţa unei structuri Hardy-Weinberg) – tabelul 5.8.1.

Tabelul 5.8.1: Riscul de pierdere (v) al unor alele rare, cu frecvenţa 5%, 1% şi 0,1%, în cazul unei gene cu două alele. N reprezintă mărimea eşantionului. (după Hattemer et al. 1993). Două alele

N pi = 0,05 pi = 0,01 pi = 0,005 10 0,36 0,82 0,91 25 0,08 0,61 0,78 40 0,02 0,45 0,67 75 <0,01 0,22 0,47

100 <0,01 0,13 0,37 200 <0,01 0,02 0,13 500 <0,01 <0,01 0,01

Aşa cum reiese din tabelul de mai sus, riscul de pierdere al unei alele rare este foarte

mic (<=0.01) dacă efectivul populaţiei se menţine la 500 de arbori. Fixarea şi pierderea unor alele rare reprezintă principalele consecinţe ale fenomenului

de derivă genetică. Fixarea unei alele implică însă, şi absenţa totală a heterozigoţiei, Ho=He= 0 la gena respectivă. Chiar dacă fixarea este cazul extrem, în mod evident deriva genetică conduce în timp şi la o reducere graduală a heterozigoţiei.

Sistemul de încrucişare în populaţii de mărime mică implică de asemenea o frecvenţă crescută a încrucişărilor între exemplare înrudite (consangvinizare), şi deci creşterea

114

homozigoţiei. Astfel, dacă se notează cu He(0) heterozigoţia aşteptată în generaţia 0, după t generaţii de derivă genetică, heterozigoţia aşteptată, He(t), se va calcula după următoarea formulă:

Reducerea heterozigoţiei, datorită derivei genetice, se face indirect proporţional cu mărimea populaţiei (N).

O explicaţie foarte probabilă pentru existenţa unui nivel extrem de redus de variaţie genetică în unele populaţii actuale este trecerea acestora în trecut printr-un gât de sticlă. În continuare vor fi prezentate exemplele a două specii nord-americane de pin, care au trecut printr-o astfel de situaţie extremă.

Pinul roşu (Pinus resinosa) ocupă în prezent un areal vast în America de Nord (fig. 5.8.3). În pofida acestui areal vast, pinul roşu posedă o variaţie genetică extrem de redusă (He= 0.007) în comparaţie cu alte specii de pin. Lipsa de variaţie genetică nu poate fi efectul acţiunii derivei genetice în populaţiile actuale de pin roşu, deoarece acestea sunt alcătuite în prezent din foarte multe exemplare, iar aşa cum s-a văzut în paragrafele anterioare, efectele derivei sunt vizibile numai în populaţiile mici. De aceea, s-a emis ipoteza potrivit căreia, mărimea foarte redusă a populaţiilor de pin roşu în timpul sau la sfârşitul ultimei glaciaţiunii, a condus la un fenomen de derivă genetică, care a afectat masiv variaţia genetică a acestei specii. După glaciaţiune, deşi arealul acestei specii s-a extins pe suprafeţe mari, variaţia genetică s-a menţinut la un nivel extrem de scăzut, pentru că mutaţiile nu au putut compensa într-un timp aşa de scurt pierderile suferite la nivel genetic. În concluzie, efecte de tip “gât de sticlă”, care s-au petrecut în trecutul evolutiv al speciilor, pot fi recunoscute pe baza analizei structurilor genetice actuale.

Figura 5.8.3: Arealul actual al speciei Pinus resinosa (sursa: USGS 1999).

Un alt exemplu este cel al speciei Pinus torreyana, un endemism din statul american California (fig. 5.8.4). În prezent, arealul acestei specii cuprinde numai două populaţii care

)0(2

11)( e

t

e HN

tH

−=

115

au circa 2000 şi respectiv 7000 de exemplare. Un studiu genetic efectuat cu ajutorul a 59 de markeri genetici de tipul aloenzimelor a arătat lipsa totală a variaţiei genetice în interiorul populaţiilor (He = 0). Totuşi, la două gene analizate s-a observat o diferenţiere completă a celor două populaţii (FST=1). Aceste rezultate se explică, foarte probabil, prin supravieţuirea unui număr extrem de redus de exemplare din această specie, cu circa 3000-8000 ani în urmă, în două locaţii diferite. Acest fapt ce a condus, pe de-o parte, la fixarea unor alele diferite la cele două gene în fiecare populaţie (=alele private) dar şi la absenţa deosebirilor între exemplarele celor două populaţii la celelalte gene analizate. Se presupune că ulterior, a urmat o perioadă favorabilă speciei, în care cele două populaţii şi-au mărit efectivul, fără a reuşi însă să schimbe niciun fel de informaţie genetică.

Fig. 5.8.4: Arealul actual al speciei Pinus torreyana (după Griffin and Critchfield 1972)

Un caz special de derivă genetică este efectul de fondator (engl. founder effect) care

are loc atunci când o specie îşi extinde arealul, prin colonizarea unui teritoriu, cu un număr mic de indivizi. Chiar dacă noua populaţie creşte numeric într-un timp scurt, structura ei alelică va reflecta mai degrabă frecvenţele alelelor din grupul de fondatori decât structura alelică a populaţiei din care provin aceşti migranţi.

Efectul gâtului de sticlă s-a manifestat, în decursul evoluţiei speciilor de arbori, de nenumărate ori. În trecut, acest proces a fost declanşat de cauze naturale, cum ar fi răcirea bruscă a climei sau diverse catastrofe naturale (incendii). Totuşi, în prezent, acest efect este generat şi de către om, prin fragmentarea pădurilor, sau prin întemeierea unor populaţii de arbori pornind de la un număr foarte redus de indivizi. Chiar şi procedeele utilizate în ameliorarea arborilor au condus la reducerea mai mult sau mai puţin drastică a diversității genetice, prin selecţia unor indivizi cu însuşiri deosebite.