Μέρος 6 ο Γενετική πληθυσµών 1988) Ronald A. Fisher (1890-1962) Sewall Wright (1889-
Γενετική πληθυσµών Η Γενετική στους πληθυσµούς Οι γενετικές διεργασίες που εξετάσαµε ως τώρα, από τους νόµους του Mendel ως τη σύνθεση των πρωτεϊνών αφορούν τη λειτουργία συγκεκριµένων οργανισµών, ή µερών αυτών. Με τον τρόπο αυτόν κατανοήσαµε τη µεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας από γενιά σε γενιά και τη λειτουργία και δοµή των γονιδίων. Στο κεφάλαιο αυτό θα διερευνήσουµε τους νόµους που διέπουν τη µεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας σε σύνολα οργανισµών. Σε επιστήµες που ασχολούνται µε τη διαχείριση φυσικών οικοσυστηµάτων, όπως είναι η δασολογία, είναι απαραίτητη η γνώση της δηµιουργίας, επιβίωσης και µεταβολής των ειδών και η κατανόηση των νόµων που διέπουν τη γενετική ποικιλότητα. Οι εξελικτικές αλλαγές που συµβαίνουν σε ένα είδος, είτε αυτό αφορά φυσικές προσαρµοστικές διεργασίες, ή στοχευµένη ανθρώπινη παρέµβαση, περιγράφονται στο πλαίσιο του συνόλου πολλών οργανισµών του ίδιο είδους και όχι στο επίπεδο του ατόµου. Το σύνολο αυτό είναι ο «πληθυσµός» ή «Μενδελικός πληθυσµός» και ορίζεται ως το σύνολο των οµοειδών οργανισµών που έχουν αναπαραγωγική σχέση µεταξύ τους. Είναι λογικό στις περισσότερες περιπτώσεις ο πληθυσµός να είναι συνδεδεµένος µε µία γεωγραφική ενότητα, µέσα στην οποία όλα τα άτοµα έχουν πιθανότητα να έρθουν σε φυλετική αναπαραγωγή. Για παράδειγµα, η τραχεία πεύκη της Θάσου αποτελεί έναν ξεχωριστό πληθυσµό. Το ίδιο συµβαίνει και µε τον αντίστοιχο πληθυσµό της Λέσβου, ο οποίος δεν µπορεί να έρθει σε αναπαραγωγική σχέση µε αυτόν της Θάσου, λόγω της απόστασης. Η Γενετική Πληθυσµών είναι ο κλάδος της Γενετικής που ερευνά την κληρονοµούµενη (γενετική) ποικιλότητα και τις µεταβολές της στο χώρο και το χρόνο. Η Γενετική πληθυσµών είναι εκ φύσεως στενά συνδεδεµένη µε τη θεωρεία της εξέλιξης των ειδών, που διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον Charles Darwin το 1859 και διαµορφώθηκε στην τελική της µορφή κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, αφού πρώτα αποκαλύφτηκαν βασικές γνώσεις της µοριακής και κυτταρικής βιολογίας και γενετικής. Και αυτή η θεωρεία, όπως έχει γίνει σήµερα αποδεκτή, ερευνά και εξηγεί τις κληρονοµούµενες µεταβολές των ειδών και των πληθυσµών, που δηµιουργούν νέα είδη. Κεντρικό ρόλο στην επιστήµη της γενετικής πληθυσµών παίζει η περιγραφή της γενετικής πληροφορίας σε µορφή συχνοτήτων γενοτύπων και αλληλοµόρφων, όπως θα εξετάσουµε πιο κάτω. Οι γενότυποι και τα αλληλόµορφα µελετούνται µε τη βοήθεια των γονιδιακών δεικτών. Άσχετα µε το αν οι δείκτες που περιγράφουµε εξετάζουν αληθινά γονίδια που κωδικοποιούνται και δίνουν ένζυµα του µεταβολισµού (π.χ. ισοένζυµα) ή απλά µετρούν διαφορές ανάµεσα στα άτοµα ενός πληθυσµού σε επίπεδο αλληλουχιών DNA (µοριακοί δείκτες), οι διαφορές που παρατηρούµε στα αποτελέσµατα των πειραµάτων είναι γενετικές και κληρονοµούνται µε βάση τους νόµους του Mendel από τη µια γενιά στην άλλη. Τα αποτελέσµατα των µοριακών δεικτών καταγράφονται έτσι σαν γενότυποι για το κάθε άτοµο του πληθυσµού, όπου ο κάθε γενότυπος έχει δύο αλληλόµορφα όταν οι οργανισµοί είναι διπλοειδείς. Οι συχνότητες των µονάδων αυτών σε επίπεδο πληθυσµού χαρακτηρίζουν τους πληθυσµούς αυτούς και αποτελούν τη γενετική τους δοµή. Η γενετική πληθυσµών µπορεί να είναι πειραµατική ή θεωρητική. Η πειραµατική γενετική πληθυσµών αφορά την περιγραφή των γενετικών δοµών των πληθυσµών µε τη βοήθεια των γονιδιακών δεικτών. Σκοπός της είναι η όσο πιο αξιόπιστη αναγνώριση των γενοτύπων και των αλληλοµόρφων τους σε συγκεκριµένες γονιδιακές θέσεις. Επειδή η µελέτη όλων των ατόµων ενός πληθυσµού είναι στις περισσότερες περιπτώσεις αδύνατη, η εργαστηριακή ανάλυση γίνεται πάνω σε ένα αντιπροσωπευτικό και τυχαίο δείγµα. Το µέγεθος του δείγµατος αυτού και ο τρόπος εξασφάλισής του θα συζητηθεί παρακάτω. Η έρευνα της πληθυσµιακής γενετικής δεν περιορίζεται όµως µόνο στην παρατήρηση των κατανοµών των συχνοτήτων γενοτύπων και αλληλοµόρφων. Το κύριο της αντικείµενο είναι η ανάλυση των γενετικών δοµών των πληθυσµών και της δυναµικής που αυτές παρουσιάζουν στο χώρο και στο χρόνο. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται µαθηµατικά µοντέλα που 71
Εισαγωγή στη δασική γενετική περιγράφουν απλοποιηµένους πληθυσµούς και συστήµατα, προσοµοιώσεις και έλεγχος υποθέσεων. Όλες αυτές οι µέθοδοι ανήκουν στη θεωρητική γενετική πληθυσµών, µια επιστήµη που ξεκίνησε πολύ πριν την ανακάλυψη των εργαστηριακών γονιδιακών δεικτών, ακόµα και πολύ πριν την ανακάλυψη της δοµής του DNA. Μέσα από το συνδυασµό της εργαστηριακής και της θεωρητικής γενετικής πληθυσµών µπορούµε να εξηγήσουµε τους λόγους που προκαλούν µια γενετική δοµή σε έναν πληθυσµό, να κάνουµε προβλέψεις για τις µελλοντικές αλλαγές στη γενετική δοµή των πληθυσµών και να καταλήξουµε στην απόφαση των κατάλληλων µέτρων που χρειάζονται για την προστασία και διατήρηση της γενετικής ποικιλότητας. Οι γνώσεις που έχουµε ήδη αποκτήσει από τη µενδελική γενετική είναι χρήσιµες και στην κατανόηση της γενετικής των πληθυσµών. Για παράδειγµα η αρχή του διαχωρισµού που αφορά τους γαµέτες ενός ατόµου, ισχύει και στο επίπεδο του πληθυσµού, όπου περιγράφει πλέον την ποικιλότητα των αλληλοµόρφων ενός γονιδιακού τόπου. Η γενετική σύσταση ενός πληθυσµού, το σύνολο δηλαδή της γενετικής του πληροφορίας, λέγεται και γενετική δεξαµενή (gene pool) του πληθυσµού, που όπως θα δούµε παίζει µεγάλο ρόλο στην εξέλιξή του και την προσαρµογή του σε νέα περιβάλλοντα. Η γενετική ποικιλότητα Η γενετική πληθυσµών εξετάζει τη γενετική ποικιλότητα, η οποία αναφέρεται αναγκαστικά στους γενότυπους. Η παρατήρηση όµως οποιουδήποτε χαρακτηριστικού είναι εξ ορισµού ένας φαινότυπος. Για το λόγο αυτό οι γενετιστές πληθυσµών χρησιµοποιούν τους γονιδιακούς δείκτες, που αναφέραµε παραπάνω, έτσι ώστε να µπορούν να έχουν µια εικόνα για την κατανοµή των γενότυπων µέσα στους πληθυσµούς. Η παρατήρηση της κληρονοµούµενης ποικιλότητας ξεκίνησε κατά το 19 ο αιώνα, όπου παρατηρήθηκαν σε αρκετές περιπτώσεις φαινοτυπικές διαφορές µεταξύ οικόσιτων ζώων και κηπευτικών φυτών. Ακόµα δεν υπήρχε βεβαιότητα για την επίδραση του περιβάλλοντος ή της κληρονοµικότητας. Κατά το πρώτο µισό του 20ού αιώνα ανακαλύφτηκαν ορατές µεταλλάξεις σε φυσικούς πληθυσµούς, που αφορούσαν κυρίως κληρονοµικές ασθένειες στον άνθρωπο. Από το 1930 ως το 1950 χρησιµοποιήθηκαν από τον Dobzhansky χρωµοσωµικές ιδιότητες της µύγας του ξυδιού σαν µέσο µέτρησης της ποικιλότητας. Κατά τη δεκαετία του 1970, οι Lewontin και Hubby εξέλιξαν τη µέθοδο της ηλεκτροφόρησης µε ισοένζυµα, µετρώντας πλέον την ποικιλότητα µέσα από τα ζυµογράµµατα. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 και ως σήµερα ξεκίνησε µια επανάσταση µε την ανάπτυξη των µοριακών γενετικών δεικτών του DNA, όπως περιγράψαµε στο προηγούµενο κεφάλαιο. Για να µετρηθεί η γενετική ποικιλότητα χρειάζεται ένας γονιδιακός δείκτης για να µπορέσει να µετατραπεί η γνώση της φαινοτυπικής ποικιλότητας σε γενετική και µία µαθηµατική µεθοδολογία για την περιγραφή των αποτελεσµάτων και τις απαραίτητες συγκρίσεις. Ο πιο απλός και όπως θα δούµε και ο πιο αξιόπιστος τρόπος παρουσίασης της γενετικής ποικιλότητας είναι ο υπολογισµός της συχνότητας των γενότυπων µέσα σε έναν πληθυσµό και κατά συνέπεια ο υπολογισµός των συχνοτήτων των διαφόρων αλληλοµόρφων, όπως θα δούµε στο επόµενο µάθηµα. Συχνότητες γενότυπων και αλληλοµόρφων Ως τώρα είχαµε καταλήξει ότι για να µπορέσουµε να περιγράψουµε τη γενετική ποικιλότητα ενός ή περισσότερων πληθυσµών χρειαζόµαστε τους κατάλληλους γονιδιακούς δείκτες. Εκτός όµως από αυτούς είναι αναγκαίο να επιστρατεύσουµε µια σειρά µαθηµατικών τρόπων µέτρησης της ποικιλότητας, έτσι ώστε να µπορέσουµε να επεξεργαστούµε τα πρωτογενή πειραµατικά στοιχεία, να τα συγκρίνουµε και τελικά να τα ερµηνεύσουµε. Υπάρχουν πάρα 72
Γενετική πληθυσµών πολλές µέθοδοι στη βιβλιογραφία και όλες έχουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, που τις κάνουν χρήσιµες σε συγκεκριµένες περιπτώσεις. Εδώ εµείς θα εξετάσουµε τις πιο βασικές από αυτές. Τα πειραµατικά δεδοµένα που παίρνουµε από µια γενετική έρευνα είναι συνήθως µια σειρά γενότυπων γονιδιακών θέσεων που αντιστοιχούν σε άτοµα ή πληθυσµούς. Ο αριθµός των γενότυπων ιδίου τύπου ενός πληθυσµού, διαιρούµενος µε το συνολικό αριθµό γενότυπων του πειράµατος, είναι η συχνότητα του γενότυπου αυτού στον πληθυσµό. Αν τη συχνότητα του γενότυπου Α χ Α ψ τη συµβολίζουµε σαν Ρ χψ,, τότε ισχύει: P χψ = Ν χψ Ν Όπου Ν χψ είναι ο αριθµός των γενότυπων Α χ Α ψ στον πληθυσµό και Ν ο συνολικός αριθµός των γενότυπων που παρατηρήθηκαν. Αν δηλαδή σε σύνολο 10 δέντρων, τα 4 έχουν γενότυπο Α χ Α ψ, τότε η συχνότητα του γενότυπου Α χ Α ψ (Ρ χψ ) θα είναι 4/10 = 0,4. Με το ίδιο σκεπτικό προχωρούµε στον υπολογισµό των συχνοτήτων των αλληλοµόρφων. Πρόκειται για τον αριθµό των αλληλοµόρφων ιδίου τύπου ενός πληθυσµού (Ν χ ), διαιρούµενος µε το συνολικό αριθµό των αλληλοµόρφων που παρατηρήθηκαν (Ν), δηλαδή του διπλάσιου των γενότυπων του πειράµατος. Ισχύει δηλαδή: p χ = Ν χ Ν Η συχνότητα των αλληλοµόρφων ενός δείγµατος µπορεί να υπολογιστεί κατευθείαν από τη συχνότητα των γενότυπων ως εξής: Pχψ pχ = Pxx + (για κάθε χ ψ) 2 Άρα η συχνότητα ενός αλληλοµόρφου (p χ ) ισούται µε τη συχνότητα του οµοζυγωτού του γενότυπου (Ρ χχ ) και του µισού της συνολικής συχνότητας των ετεροζυγωτών γενότυπων (Ρ χψ )που αυτό το αλληλόµορφο συµµετέχει. Για την καλύτερη κατανόηση του υπολογισµού των συχνοτήτων γενότυπων και αλληλοµόρφων παραθέτουµε το πιο κάτω παράδειγµα. Παράδειγµα: Γενετική έρευνα του µεσογειακού κυπαρισσιού (Cupressus sempervirens L.) της περιοχής «Ζούρβα» της Κρήτης µε τη βοήθεια του ενζυµικού γονιδιακού δείκτη NDH-A Έγινε δειγµατοληψία σε 20 δέντρα και βρέθηκαν οι παρακάτω γενότυποι: Γενότυπος Παρατήρηση Υπολογισµός Συχνότητα Α1Α1 3 3/20 0,15 Α2Α2 5 5/20 0,25 Α1Α2 4 4/20 0,20 Α1Α3 0 0/20 0,00 Α2Α3 4 4/20 0,20 Α3Α3 4 4/20 0,20 Με βάση τα παραπάνω υπολογίσαµε τις συχνότητες των αλληλόµορφων Αλληλόµορφο Παρατήρηση Υπολογισµός Συχνότητα Α1 10 10/40 0,25 Α2 18 18/40 0,45 Α3 12 12/40 0,30 73
Εισαγωγή στη δασική γενετική Εναλλακτικά µπορούµε επίσης να κάνουµε τον υπολογισµό των συχνοτήτων των αλληλοµόρφων από τις συχνότητες των γενότυπων: Αλληλόµορφο Υπολογισµός Συχνότητα Α1 0,15 + ½(0,20+0,00) = 0,25 0,25 Α2 0,25 + ½(0,20+0,20) = 0,45 0,45 Α3 0,20 + ½(0,00+0,20) = 0,30 0,30 Η γνώση των συχνοτήτων των αλληλοµόρφων µας επιτρέπει να εκφράσουµε τα πρώτα συµπεράσµατα σχετικά µε τις διαφορές ανάµεσα στους πληθυσµούς ενός είδους και τα αίτια που διαµόρφωσαν τις διαφορές αυτές. Υπολογισµός της ετεροζυγωτίας Μια ιδιαίτερα σηµαντική µέτρηση που προκύπτει από τις συχνότητες των γενοτύπων είναι η ετεροζυγωτία, δηλαδή η ύπαρξη δύο διαφορετικών τύπων αλληλοµόρφων σε ένα γενότυπο. Η ετεροζυγωτία µπορεί να µετράται είτε σαν ποσοστό ετεροζυγωτών γενότυπων ενός γονιδιακού τόπου σε έναν πληθυσµό, ή σαν ποσοστό ετεροζυγωτών γενότυπων σε έναν αριθµό γονιδιακών τόπων ενός ατόµου. Και για τις δύο τιµές µπορούν να χρησιµοποιηθούν µέσες τιµές για να περιγράψουν ευρύτερα σύνολα, π.χ. το µέσο ποσοστό ετεροζυγωτών γενότυπων σε περισσότερους γονιδιακούς τόπους ενός πληθυσµού. Για τον υπολογισµό της ετεροζυγωτίας απλά αθροίζουµε τις συχνότητες των ετεροζυγωτών γενοτύπων ενός δείγµατος: Het = Pχψ (για κάθε χ ψ) Παράδειγµα: Υπολογισµός της ετεροζυγωτίας του µεσογειακού κυπαρισσιού (Cupressus sempervirens L.) στον «Ζούρβα» της Κρήτης µε τη βοήθεια του ενζυµικού γονιδιακού δείκτη NDH-A Υπολογίζουµε το ποσοστό ετεροζυγωτών γενότυπων στο γονιδιακό αυτό τόπο σαν το άθροισµα των συχνοτήτων των ετεροζυγωτών γενότυπων: Γενότυπος Συχνότητα Α1Α1 0,15 Α2Α2 0,25 Α1Α2 0,20 Α1Α3 0,00 Α2Α3 0,20 Α3Α3 0,20 Het = Ρ Α1Α2 + Ρ Α1Α3 + Ρ Α2Α3 = 0,20 + 0,00 + 0,20 = 0,40. Το ποσοστό αυτό θεωρείται ιδιαίτερα ψηλό για ενζυµικό γονιδιακό τόπο. Η σηµασία της ετεροζυγωτίας είναι µεγάλη για τη δασοπονία. Πιστεύεται και έχει εν µέρει αποδειχτεί ότι η ύπαρξη πολλών ετεροζυγωτών γονιδίων σε έναν οργανισµό αυξάνει την πλαστικότητα του οργανισµού αυτού στις εναλλαγές του περιβάλλοντος. Αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό για τα δασικά δέντρα, που είναι µακρόβια και δεν έχουν τη δυνατότητα της µετακίνησης, οπότε υποµένουν στην ίδια θέση πολλές περιβαλλοντικές εναλλαγές. Αυτός θεωρείται και ο κύριος λόγος που τα δασικά δέντρα είναι από τους πλέον ετεροζυγωτούς οργανισµούς στη γη. Επιπλέον, πειράµατα σε διάφορες φάσεις ανάπτυξης συστάδων και βελτιωτικών προγραµµάτων έχουν συνδέσει την υψηλή ετεροζυγωτία ενζύµων που σχετίζονται µε το κύκλο της φωτοσύνθεσης µε την απόδοση συγκεκριµένων δέντρων, φορέων των ετεροζυγωτών γενότυπων. Αυτές οι παρατηρήσεις δεν είναι αποδείξεις, αλλά ισχυρές ενδείξεις 74
Γενετική πληθυσµών της υπεροχής των ετεροζυγωτών γενότυπων απέναντι στους οµοζυγωτούς. Περισσότερη έρευνα µε µοριακούς δείκτες διεξάγεται σε πολλά εργαστήρια παγκοσµίως. Πολύ σηµαντική είναι επίσης και η καθαρά γενετική εισφορά της ετεροζυγωτίας στην κληρονόµηση της γενετικής ποικιλότητας. Σπάνια αλληλόµορφα, που πιθανόν να είναι µειονεκτικά στις παρούσες περιβαλλοντικές συνθήκες συνεχίζουν να κληρονοµούνται επειδή βρίσκονται σε ετεροζυγωτή µορφή. Αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό επειδή µετά από κάποιες περιβαλλοντικές αλλαγές, τα σπάνια αυτά αλληλόµορφα πιθανόν να υπερέχουν των υπόλοιπων και να µπορούν να εξασφαλίσουν την επιβίωση πληθυσµών και ειδών. Με λίγα λόγια, η ετεροζυγωτία είναι µια µορφή εξασφάλισης του δυναµικού προσαρµογής ενός πληθυσµού, όπως θα δούµε και σε επόµενα µαθήµατα. Παράδειγµα: Σύγκριση της ετεροζυγωτίας των ειδών Populus tremuloides και Populus grandidentata σε 10 ενζυµικά συστήµατα και σε 138 περιοχές του γενώµατος µε τη χρήση RFLPs Είδος Γονιδιακός δείκτης Ετεροζυγωτία Populus tremuloides Ισοένζυµα 0,19 RFLPs 0,21 Populus grandidentata Ισοένζυµα 0,07 RFLPs 0,12 Παρατηρούµε ότι το πρώτο είδος είναι κατά µέσο όρο πιο ετεροζυγωτό από ότι το δεύτερο. Τα παραπάνω αποτελέσµατα είναι ιδιαίτερα σηµαντικά, γιατί οι διαφορές στη µέση ετεροζυγωτία των πληθυσµών επιβεβαιώνεται από δύο διαφορετικούς γονιδιακούς δείκτες. Συχνότητες απλοτύπων Οι όροι «γενότυπος» και «αλληλόµορφα» χρησιµοποιούνται συνήθως όταν µελετούµε τη γενετική ποικιλότητα σε επίπεδο πυρηνικού DNA. Εκτός όµως από τον πυρήνα, όπως γνωρίζουµε από προηγούµενα κεφάλαια, DNA υπάρχει και στα µιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες των φυτών. Εκεί, η γενετική πληροφορία είναι οργανωµένη σε κυκλική δοµή και δεν υπάρχουν χρωµοσώµατα. Το DNA των οργανιδίων αντιγράφεται από γενιά σε γενιά χωρίς τη µείωση και το σχηµατισµό γαµετών, όπως ακριβώς συµβαίνει και στους µονοκύτταρους οργανισµούς. Τα οργανίδια αυτά κληρονοµούνται από τον ένα γονέα µόνο κατευθείαν στους απογόνους. Έτσι τα µιτοχόνδρια κάθε οργανισµού προέρχονται από το θηλυκό του γονέα. Στα φυτά, οι χλωροπλάστες στα αγγειόσπερµα προέρχονται από τον σπορέα, ενώ στα κωνοφόρα από τη γύρη. Η µονογονική αυτή προέλευση του DNA των πλαστιδίων κάνει τη µελέτη τους πολύ ενδιαφέρουσα γιατί αποκαλύπτει τη µεταφορά των γονιδίων στο χώρο από το σπόρο στα πλατύφυλλα και από τη γύρη στα κωνοφόρα. Η µελέτη της γενετικής ποικιλότητας στους χλωροπλάστες και στα µιτοχόνδρια των φυτών είναι εφικτή µε µοριακούς δείκτες και ειδικούς primer. Με τον τρόπο αυτό είµαστε σε θέση να περιγράψουµε τις γενετικές δοµές ενός πληθυσµού σε επίπεδο χλωροπλαστικού ή µιτοχονδριακού DNA. Επειδή η γενετική πληροφορία είναι οργανωµένη ένα αντίτυπο (απλοειδία), οι διάφορες ποικιλίες που εµφανίζονται δεν αποδίνονται µε τους κλασικούς όρους «γενότυποι» ή «αλληλόµορφα» αλλά ως «απλότυποι». Η συχνότητα ενός απλότυπου χ (p χ ) µετράται απλά µε το πηλίκο του αριθµού των ατόµων του δείγµατος που φέρουν τον απλότυπο αυτό (Ν χ ) προς το σύνολο των ατόµων του δείγµατος: p χ = Ν χ Ν 75
Εισαγωγή στη δασική γενετική είγµα και αλληλόµορφα Οι έρευνες που καταλήγουν στον υπολογισµό των συχνοτήτων γενοτύπων και αλληλοµόρφων βασίζονται πάνω σε δείγµατα από τους πληθυσµούς που εξετάζουµε. Η περίπτωση έρευνας µε βάση όλα τα άτοµα ενός πληθυσµού είναι εξαιρετικά σπάνια και συµβαίνει σε περιπτώσεις, όπου οι πληθυσµοί αριθµούν λίγα άτοµα. Λόγω της επιλογής ενός δείγµατος µε µέγεθος σηµαντικά µικρότερο από αυτό του πληθυσµού, υπάρχει πάντα η πιθανότητα να µην έχουµε αντιπροσωπευτικό δείγµα και να κάνουµε σφάλµατα ως προς τις εκτιµήσεις µας. Το πιο κοινό σφάλµα είναι η απώλεια της καταγραφής ενός σπάνιου αλληλοµόρφου, το οποίο βρίσκεται σε µικρή συχνότητα στον πληθυσµό. Η ευαισθησία των σπάνιων αλληλοµόρφων κατά τη δειγµατοληψία είναι ένα σηµαντικό πρόβληµα που προκύπτει πολύ συχνά στην πράξη. Αυτό δεν ισχύει µόνο για την αξιοπιστία των γενετικών ερευνών, αλλά και για κάθε παρέµβαση που συνεπάγεται επιλογή και µεταφορά φυτευτικού υλικού. Αν π.χ. πάρουµε έναν αριθµό σπόρων από ένα συγκεκριµένο πληθυσµό για να ιδρύσουµε µια νέα συστάδα µε αναδάσωση, τότε στην ουσία λαµβάνουµε δείγµα από τον πληθυσµό αυτό και κινδυνεύουµε να παραλείψουµε κάποια σπάνια αλληλόµορφα. Το ίδιο συµβαίνει κάθε φορά που περιορίζεται ο αριθµός των φυτών που τελικά επιλέγουµε, όπως π.χ. η φύτρωση ενός µέρους των σπόρων στο φυτώριο, η επιβίωση ενός µέρους των φυταρίων από αυτά που φύτρωσαν και τελικά η επιλογή των λίγων φυτών που θα φυτευτούν στη νέα θέση. Και εκεί, επέρχεται νέα µείωση του αριθµού των φυτών που θα επιβιώσουν για να δώσουν τη νέα συστάδα. Η απώλεια σπάνιων αλληλοµόρφων λόγω των διαδικασιών που ακολουθούµε στην πράξη είναι αναπόφευκτη. Πρέπει όµως να την περιορίσουµε όσο το δυνατόν περισσότερο, φροντίζοντας οι πληθυσµοί που επιθυµούµε να µελετήσουµε, ή στους οποίους σχεδιάζουµε να παρέµβουµε, να αντιπροσωπεύονται µε µεγάλα δείγµατα. Και αυτό γιατί όσο πιο µεγάλο είναι το δείγµα που χρησιµοποιούµε, τόσο πιο µικρή είναι η πιθανότητα απώλειας σπάνιων αλληλοµόρφων σε έναν πληθυσµό. Με βάση µαθηµατικά µοντέλα που βασίζονται στη διωνυµική κατανοµή είναι δυνατός ο υπολογισµός της πιθανότητας απώλειας ενός αλληλοµόρφου µε συγκεκριµένη συχνότητα, όταν λαµβάνεται δείγµα συγκεκριµένου µεγέθους από έναν πληθυσµό. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουµε την πιθανότητα παρουσίας (ΠΠ) ενός αλληλοµόρφου µε συχνότητα µεγαλύτερη ή ίση προς µια συχνότητα (α), τουλάχιστον µία φορά σε δείγµα µεγέθους (Ν). Έτσι για παράδειγµα, ένα αλληλόµορφο πρέπει να έχει συχνότητα πάνω από 0,10 (α=0,10) σε έναν πληθυσµό, για να εκπροσωπηθεί τουλάχιστον µία φορά σε ένα δείγµα µεγέθους 50 ατόµων (Ν=50), µε πιθανότητα 0,99 (ΠΠ = 0,99). Αν το δείγµα έχει 100 άτοµα (Ν=100), τότε η κατώτερη συχνότητα που απαιτείται για ένα αλληλόµορφο, ώστε να έχει παρουσία στο δείγµα είναι 0,07. Ν α ΠΠ = 0,99 ΠΠ = 0,95 50 0,10 0,10 100 0,07 0,06 125 0,06 0,05 150 0,05 0,04 175 0,045 0,035 200 0,039 0,031 225 0,034 0,028 250 0,031 0,026 300 0,027 0,022 Όπως θα δούµε παρακάτω, ο σωστός τρόπος σχεδιασµού ενός πειράµατος ή µιας παρέµβασης πρέπει να περιλαµβάνει και την παράµετρο του αριθµού του δείγµατος σε σχέση µε τη συχνότητα των αλληλοµόρφων στα γονίδια ενός πληθυσµού. Εδώ πρέπει να σηµειωθούν δύο 76
Γενετική πληθυσµών ακόµα βασικά στοιχεία. Το ένα είναι ότι η µείωση του δείγµατος επιφέρει απώλεια των σπάνιων αλληλοµόρφων σε όλους τους γενετικούς τόπους του οργανισµού που εξετάζουµε. Το δεύτερο είναι ότι η απώλεια αυτή αφορά και γονίδια που είναι σηµαντικά για την επιβίωση του οργανισµού και τα αλληλόµορφα που χάνονται, αν και σπάνια, πιθανόν να παίζουν σηµαντικό ρόλο στη µακροπρόθεσµη επιβίωση του πληθυσµού κάτω από ένα µεταβαλλόµενο περιβάλλον. Ποικιλότητα µέσα στους πληθυσµούς Η πληροφορία των συχνοτήτων γενότυπων και αλληλοµόρφων είναι η αρχή της περιγραφής της ποικιλότητας µέσα στους πληθυσµούς. Με βάση την πληροφορία αυτή, µπορούµε να υπολογίσουµε διάφορα µαθηµατικά µεγέθη, που µας διευκολύνουν στην περιγραφή της ποικιλότητας. Ο υπολογισµός των µεγεθών αυτών γενικά οµαδοποιεί την υπό εξέταση πληροφορία και εξετάζει κάποια συγκεκριµένα στοιχεία της, µειώνοντας τα υπόλοιπα. Η πιο περιεκτική σε πληροφορία αποτύπωση της ποικιλότητας παραµένει η έκφραση των συχνοτήτων γενότυπων και αλληλοµόρφων, µόνο που δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιµη για την εξέταση συγκεκριµένων ερωτηµάτων. Για το λόγο αυτό «θυσιάζουµε» κάθε φορά λίγη πληροφορία, για χάρη της καλύτερης κατανόησης της υπάρχουσας κατάστασης σε έναν πληθυσµό. Αφού λοιπόν πάρουµε τις συχνότητες γενότυπων και αλληλοµόρφων ορισµένων γονιδιακών θέσεων, θέτουµε τα παρακάτω ερωτήµατα: α) πόσες διαφορετικές παρατηρήσεις έχουµε σε έναν πληθυσµό και β) πόσο συχνές είναι αυτές; Αν δηλαδή εξετάζουµε τα αλληλόµορφα ενός πληθυσµού, χρειάζεται να γνωρίζουµε πόσα αλληλόµορφα έχουµε και πόσο συχνά είναι το καθένα από αυτά σε σχέση µε τα υπόλοιπα. Η πιο απλή µέτρηση ποικιλότητας είναι ο αριθµός των παρατηρήσεων σε έναν πληθυσµό. Στην περίπτωση των αλληλοµόρφων έχουµε τον αριθµό αλληλοµόρφων (n). Πρόκειται για µια απλή απαρίθµηση των παρατηρούµενων αλληλοµόρφων, ανεξαρτήτως συχνότητας σε µία γονιδιακή θέση. Αν απαριθµήσουµε τους γενότυπους έχουµε τον αριθµό γενότυπων. Αντίστοιχα, σε περίπτωση έρευνας του χλωροπλαστικού ή µιτοχονδριακού DNA έχουµε τη δυνατότητα να απαριθµήσουµε τον αριθµό απλοτύπων. Η έκφραση του αριθµού των αλληλοµόρφων δεν µας δίνει καµία πληροφορία για την ποσοτική κατανοµή των αλληλοµόρφων στον πληθυσµό. Για να βρούµε τον αριθµό των αλληλοµόρφων που είναι σχετικά συχνά στον πληθυσµό χρησιµοποιούµε το λειτουργικό αριθµό αλληλοµόρφων (n e ): n e = pi 2 Όπου p i εννοούµε τη συχνότητα του αλληλοµόρφου σε έναν πληθυσµό. Όταν µία γονιδιακή θέση δεν έχει καθόλου ποικιλότητα και εµφανίζει µόνο ένα αλληλόµορφο, τότε ο λειτουργικός αριθµός αλληλοµόρφων θα είναι επίσης 1. Η µέγιστη τιµή που µπορεί να πάρει το ne είναι ο αριθµός αλληλοµόρφων n, όταν δηλαδή όλα τα αλληλόµορφα εµφανίζουν την ίδια ακριβώς συχνότητα. Ένα παράγωγο του λειτουργικού αριθµού των αλληλοµόρφων είναι ένα µέγεθος που χρησιµοποιείται συχνότατα στις γενετικές έρευνες και λέγεται γονιδιακή διασπορά, ή αναµενόµενη ετεροζυγωτία (κάτω από συνθήκες ισορροπίας, όπως θα δούµε παρακάτω), ή ποικιλότητα και εδώ συµβολίζεται για συντοµία µε HHW. 1 i HHW = 2 1 pi 77
Εισαγωγή στη δασική γενετική Το µέγεθος αυτό στην ουσία εκφράζει την πιθανότητα σε ένα δείγµα ή πληθυσµό, δύο αλληλόµορφα µίας γονιδιακής θέσης να είναι διαφορετικά. Ο δείκτης HHW έχει ελάχιστη τιµή 0 για ένα µόνο αλληλόµορφο και προσεγγίζει ασυµπτωτικά το 1, όσο αυξάνεται ο αριθµός των αλληλοµόρφων και ιδιαίτερα των συχνών αλληλοµόρφων. Όταν έχουµε δύο αλληλόµορφα σε έναν πληθυσµό, ο HHW παίρνει τη µέγιστη τιµή 0,5, όταν έχουµε 3 τότε ο HHW έχει µέγιστη τιµή το 0,67. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουµε τη µεταβολή των n και n e σε µια υποθετική περίπτωση ενός πληθυσµού µε τρία αλληλόµορφα σε µία συγκεκριµένη γονιδιακή θέση. Βλέπουµε ότι στην ουσία ο λειτουργικός αριθµός αλληλοµόρφων (n e ) και η ποικιλότητα (HHW) µας δείχνουν τον αριθµό των συχνών αλληλοµόρφων. p 1 P 2 p 3 n n e HHW 1.00 0.00 0.00 1 1.00 0,00 0.90 0.10 0.00 2 1.22 0,18 0.60 0.40 0.00 2 1.92 0,48 0.50 0.50 0.00 2 2.00 0,50 0.50 0.45 0.05 3 2.20 0,55 0.90 0.05 0.05 3 1.23 0,19 0.80 0.15 0.05 3 1.50 0,33 0.40 0.30 0.30 3 2.94 0,66 0.34 0.33 0.33 3 3.00 0,67 Παράδειγµα: Υπολογισµός της ποικιλότητας µέσα στον πληθυσµό του µεσογειακού κυπαρισσιού (Cupressus sempervirens L.) της περιοχής «Ζούρβα» της Κρήτης µε τη βοήθεια του ενζυµικού γονιδιακού δείκτη NDH-A Συχνότητες αλληλόµορφων 0,25 0,45 0,30 Αριθµός αλληλόµορφων (n) n e HHW 3 2,817 0,645 Ως τώρα εξετάζαµε πάντα την περίπτωση υπολογισµού της ποικιλότητας µέσα σε πληθυσµούς µε τη βοήθεια µίας γονιδιακής θέσης. Στις γενετικές έρευνες όµως χρησιµοποιούνται πολλές γονιδιακές θέσεις. Αφού υπολογιστούν οι παράµετροι που αναφέραµε για κάθε γονιδιακή θέση χωριστά, µπορούν να υπολογιστούν οι µέσοι όροι τους και να συγκριθούν για διαφορετικούς πληθυσµούς. Αξίζει βέβαια να αναφέρουµε ότι η πληροφορία της ποικιλότητας σε κάθε γονιδιακή θέση χωριστά είναι πολύτιµη και οι µέσοι όροι καλό είναι να χρησιµοποιούνται ενδεικτικά για να δείχνουν τις διαφορές µεταξύ πληθυσµών και όχι να αντικαθιστούν τελείως την πληροφορία αυτή. Επίσης, όταν θεωρούµε τη µέση τιµή του λειτουργικού αριθµού αλληλοµόρφων, τότε παίρνουµε τον αρµονικό µέσο όρο και όχι των αριθµητικό, όπως κάνουµε µε τα άλλα µεγέθη. Παράδειγµα: Υπολογισµός της ποικιλότητας του φυτού Lolium perenne L. µε τη βοήθεια 13 ενζυµικών γονιδιακών θέσεων. Εξετάστηκαν 4 πληθυσµοί της Μεσογείου και υπολογίστηκαν οι µέσες τιµές για τον αριθµό των αλληλοµόρφων ανά γονιδιακή θέση και την τιµή HHW. Πληθυσµοί Μέσος αριθµός αλληλοµόρφων Μέση τιµή HHW Γαλλία 2,29 0,283 Ιταλία 2,84 0,326 Κορσική 2,79 0,347 78
Γενετική πληθυσµών Σαρδηνία 2,39 0,301 Βλέπουµε από τον πίνακα ότι η ποικιλότητα µέσα στους πληθυσµούς της Ιταλίας και της Κορσικής είναι µεγαλύτερη από τους πληθυσµούς της Γαλλίας και της Σαρδηνίας. Η Ιταλία έχει τον µεγαλύτερο αριθµό αλληλοµόρφων, αλλά η Κορσική έχει τα περισσότερα συχνά αλληλόµορφα. Παράδειγµα: Υπολογισµός της γενετικής ποικιλότητας του απειλούµενου είδους δέντρου Argania spinosa (L.) στο Μαρόκο σε 9 ενζυµικούς γονιδιακούς τόπους. Πληθυσµοί Μέσος αριθµός αλληλοµόρφων Μέση τιµή HHW Tizint 2,44 0,314 Argana 1,78 0,258 Ademine 2,22 0,333 Ait Baha 1,89 0,273 Και εδώ παρατηρούµε µεγάλες διαφορές ανάµεσα στους πληθυσµούς. Η περιοχή Tizint έχει τα περισσότερα αλληλόµορφα, αλλά η Ademine εµφανίζει περισσότερα συχνά αλληλόµορφα, και συνεπώς µεγαλύτερη ποικιλοµορφία. Η περιοχή Argana εµφανίζει την µικρότερη ποικιλότητα και στους δύο δείκτες. Όπως είπαµε και παραπάνω, πρέπει να είµαστε προσεκτικοί όταν συγκρίνουµε πληθυσµούς µεταξύ τους όσο αφορά το µέγεθος δείγµατος. Οι δείκτες µέτρησης της γενετικής ποικιλότητας µέσα στους πληθυσµούς και ιδιαίτερα ο αριθµός των αλληλοµόρφων σε ένα γονιδιακό τόπο µειώνονται σηµαντικά σε µικρά δείγµατα. Για το λόγο αυτό πρέπει να συγκρίνουµε πληθυσµούς που αντιπροσωπεύονται από το ίδιο περίπου µεγάλο µέγεθος δείγµατος. Ακόµα και πληθυσµοί µε ίδιο µικρό όµως µέγεθος δείγµατος δεν µπορούν να αξιολογηθούν µε βάση τα σπάνια αλληλόµορφά τους, αφού η εµφάνιση ή όχι ενός από αυτά στο δείγµα είναι περισσότερο θέµα τύχης. Οι δείκτες υπολογισµού της γενετικής ποικιλότητας που αναφέρθηκαν εδώ είναι ενδεικτικοί και πιο συχνά χρησιµοποιούµενοι. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί δείκτες, που ο καθένας έχει συγκεκριµένες ιδιότητες, που ταιριάζουν σε διάφορες περιπτώσεις, ανάλογα µε το σκοπό της κάθε έρευνας. ιαφοροποίηση µεταξύ πληθυσµών Πέρα από την ποικιλότητα µέσα στους πληθυσµούς, έχει συχνά ενδιαφέρον να µπορέσουµε να εκτιµήσουµε τις διαφορές που προκύπτουν µεταξύ διαφορετικών πληθυσµών, όσο αφορά τη γενετική τους σύσταση. Αυτή η διαφοροποίηση µπορεί να αποδοθεί είτε ανάµεσα σε δύο πληθυσµούς, είτε σε περισσότερους. Η διαφορά στη γενετική σύσταση ανάµεσα σε δύο πληθυσµούς µετριέται συχνά από τη γενετική απόσταση, ένα µέγεθος δηλαδή που ποσοτικοποιεί τη διαφορά αυτή. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές γενετικές αποστάσεις. Μία από τις απλούστερες είναι αυτή που συµβολίζεται µε d 0 και υπολογίζεται από το µισό του συνόλου των απολύτων τιµών των διαφορών ανάµεσα στις συχνότητες των αλληλοµόρφων δύο πληθυσµών: d = p i p i 2 0 1 Το p i συµβολίζει τη συχνότητα του αλληλοµόρφου i σε ένα γονιδιακό τόπο ενός πληθυσµού και το p i τη συχνότητα του ίδιου αλληλοµόρφου σε ένα δεύτερο πληθυσµό. Το d 0 γίνεται 0 όταν δεν υπάρχει καµία διαφορά µεταξύ των δύο πληθυσµών στον εξεταζόµενο γονιδιακό τόπο. Αντίστοιχα γίνεται 1 όταν οι δύο πληθυσµοί δεν έχουν κανένα κοινό αλληλόµορφο. Κάποια παραδείγµατα δίνονται στον παρακάτω πίνακα. 79
Εισαγωγή στη δασική γενετική p 1 p 2 p 1 p 2 d 0 1,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,90 0,10 1,00 0,00 0,10 0,50 0,50 1,00 0,00 0,50 0,40 0,60 0,60 0,40 0,20 0,00 1,00 1,00 0,00 1,00 Όταν θέλουµε να µάθουµε πόσο αντιπροσωπευτικός είναι ένας πληθυσµός µέσα σε ένα σύνολο άλλων, τότε υπολογίζουµε τη διαφοροποίηση, που ισούται µε τη γενετική απόσταση του πληθυσµού αυτού µε το µέσο όρο των άλλων πληθυσµών. D j 1 = pi 2 p i Όταν η τιµή D j είναι σε χαµηλά επίπεδα, τότε ο πληθυσµός που εξετάζουµε είναι αντιπροσωπευτικός για το σύνολο των πληθυσµών που εξετάζονται. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές µετρήσεις της διαφοροποίησης, βασιζόµενες σε ποικίλα µαθηµατικά µοντέλα. Παράδειγµα: Υπολογισµός της γενετικής απόστασης των πληθυσµών «Ποταµοί» και «Πετρές»του µεσογειακού κυπαρισσιού Cupressus sempervirens (L.) στην Κρήτη µε τη χρήση του ενζυµικού γονιδιακού τόπου PGI-B. Πληθυσµοί Συχνότητα του B 1 Συχνότητα του B 2 Ποταµοί 0.750 0.250 Πετρές 0.763 0.237 Η γενετική απόσταση είναι d 0 =( 0.750-0.763 + 0.250-0.237 ) / 2 = (0.013+0.013) / 2 = 0.013. Αν υπολογίσουµε όλες τις δυνατές γενετικές αποστάσεις µεταξύ των πληθυσµών που εξετάζουµε φτάνουµε σε έναν πίνακα διπλής εισόδου µε τριγωνική µορφή, τον πίνακα των γενετικών αποστάσεων. Από αυτόν µπορούµε να υπολογίσουµε µε τη χρήση πολλών µεθόδων γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν σε δυσδιάστατη µορφή τους συσχετισµούς µεταξύ των διαφόρων πληθυσµών. Η επιλογή της κατάλληλης µεθόδου εξαρτάται από τον τύπο των δεδοµένων που έχουµε και τον τύπο των αποτελεσµάτων που θέλουµε να καταλήξουµε. Μια συχνά χρησιµοποιούµενη απεικόνιση για γενετικά αποτελέσµατα είναι το δενδρόγραµµα. Παράδειγµα: Υπολογίζουµε τις γενετικές αποστάσεις µεταξύ 4 πληθυσµών του Cupressus sempervirens (L.) στην Ελλάδα σε σύνολο 13 γονιδιακών θέσεων. Οι αποστάσεις που δίνονται στον παρακάτω πίνακα είναι µέσες τιµές των επιµέρους αποστάσεων των γονιδιακών τόπων. Πληθυσµοί Ασκύφου (Κρήτη) Αράδενα (Κρήτη) Ζωγράφου (Αττική) Αλεποχώρι (Αχαΐα) Ασκύφου (Κρήτη) 0.000 Αράδενα (Κρήτη) 0.142 0.000 Ζωγράφου (Αττική) 0.257 0.259 0.000 Αλεποχώρι (Αχαΐα) 0.267 0.270 0.161 0.000 Με βάση τα παραπάνω αποτελέσµατα και τον πίνακα αποστάσεων, σχεδιάσαµε το δενδρόγραµµα των αποστάσεων των 4 πληθυσµών µε τη µέθοδο UPGMA: 80
Γενετική πληθυσµών Από το δενδρόγραµµα φαίνεται καθαρά, ότι οι δύο πληθυσµοί της Κρήτης (AS και ΑR) βρίσκονται στενά συνδεδεµένοι και δηµιουργούν οµάδα, όπως και οι δύο άλλοι πληθυσµοί µεταξύ τους. Οι δύο οµάδες απέχουν µε µεγάλη γενετική απόσταση η µία από την άλλη. Πληθυσµοί ισορροπίας Όπως είδαµε στα προηγούµενα µαθήµατα, οι πληθυσµοί χαρακτηρίζονται από τις δοµές των αλληλοµόρφων και των γενότυπων, από τις οποίες αποτελούνται, δηλαδή από τις γενετικές τους δοµές. Η µελέτη των γενετικών δοµών και της µεταβολής τους στο χώρο και το χρόνο γίνεται µε τη βοήθεια των γενετικών ερευνών (δειγµατοληψία, εργαστηριακή ανάλυση, µαθηµατική επεξεργασία και ερµηνεία). Οι γενετικές δοµές των πληθυσµών είναι δυναµικά µεγέθη και µεταβάλλονται συνεχώς στο χρόνο. Μία σηµαντική παράµετρος που καθορίζει τη µεταβολή των γενετικών δοµών είναι το σύστηµα που ορίζει την αναπαραγωγή των ατόµων ενός πληθυσµού. Όπως γνωρίζουµε από τα προηγούµενα κεφάλαια, τα αλληλόµορφα των γενοτύπων χωρίζονται και µοιράζονται στους γαµέτες κατά την αναπαραγωγή. Οι ζυγώτες και η νέα γενιά ενός πληθυσµού σχηµατίζονται από τη συνεύρεση των γαµετών. Συµπεραίνουµε λοιπόν ότι ο τρόπος διασποράς και συνάντησης των γαµετών καθορίζει σε µεγάλο βαθµό τη µετάδοση της των γενετικών δοµών από τη µία γενιά στην άλλη. Όταν όλοι οι γαµέτες που προκύπτουν σε µία γενιά από τη µείωση σε έναν πληθυσµό έχουν την ίδια πιθανότητα να ενωθούν µεταξύ τους, τότε έχουµε τυχαία αναπαραγωγή. Στην περίπτωση αυτή οι συχνότητες των αλληλοµόρφων ενός πληθυσµού σε µία γονιδιακή θέση δεν µεταβάλλονται στην επόµενη γενιά. Κάθε απόκλιση από την τυχαιότητα κατά την αναπαραγωγή αλλάζει τις συχνότητες των αλληλοµόρφων στην επόµενη γενιά. Για τη συνέχεια της εξέτασης της δυναµικής των γενετικών δοµών στο χώρο και στο χρόνο, ας υποθέσουµε έναν θεωρητικό πληθυσµό µε δύο αλληλόµορφα (A και a)και τρεις γενότυπους (AA, Aa και aa) σε µία συγκεκριµένη γονιδιακή θέση. Η συχνότητα του αλληλοµόρφου «A» σε έναν πληθυσµό συµβολίζεται µε «p» και υπολογίζεται µε τον τρόπο που εξετάσαµε πιο πάνω ως εξής: p = ΡAA + ½ Ρaa. Αντίστοιχα, η συχνότητα του αλληλοµόρφου «a» συµβολίζεται µε «q» και υπολογίζεται ως εξής: p = Ρaa + ½ ΡAa. Ισχύει p + q = 1. 81
Εισαγωγή στη δασική γενετική Στο σηµείο αυτό θα θεωρήσουµε - για πειραµατικούς λόγους - έναν πληθυσµό που δεν αλλάζει µε το πέρασµα του χρόνου, αλλά παραµένει σταθερός. Η υπόθεση αυτή είναι αναγκαία για τη µελέτη των παραγόντων που προκαλούν τις µεταβολές στις γενετικές δοµές των πληθυσµών. Ο πληθυσµός, του οποίου οι γενετικές δοµές δεν µεταβάλλονται από γενιά σε γενιά λέγεται πληθυσµός ισορροπίας. Για να συµβεί όµως κάτι τέτοιο είναι απαραίτητες κάποιες προϋποθέσεις, όπως: 1. ο πληθυσµός να έχει άπειρο µέγεθος, δηλαδή να µην υπάρχει πιθανότητα να µεταβληθούν οι συχνότητες των αλληλοµόρφων από γενιά σε γενιά λόγω τυχαίων γεγονότων, που προκαλούνται κυρίως από τη µείωση των ατόµων ενός πληθυσµού, 2. οι διασταυρώσεις ανάµεσα στα άτοµα του πληθυσµού να γίνονται τυχαία, χωρίς να υπάρχουν συγκεκριµένες αναπαραγωγικές προτιµήσεις, π.χ. λόγω απόστασης ή εποχής ωρίµανσης των ανθών, 3. η αναπαραγωγή να γίνεται σε διακριτές γενιές, δηλαδή να µην υπερκαλύπτονται γενιές που βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια, όπως συµβαίνει στα µονοετή φυτά, 4. να µην υπάρχουν διαφορετικές συχνότητες αλληλοµόρφων ανάµεσα στους αρσενικούς και τους θηλυκούς γαµέτες, 5. να µην εµφανίζονται νέα αλληλόµορφα από µεταλλάξεις, 6. να µην υπάρχει ροή γονιδίων από και προς άλλους πληθυσµούς και 7. να µην υπάρχει διαφορά στη βιωσιµότητα και τη γονιµότητα των διαφόρων γενότυπων µεταξύ τους, δηλαδή να µην υπάρχει φυσική επιλογή. Γίνεται φανερό, ότι ένας πληθυσµός ισορροπίας δεν ανταποκρίνεται στην πραγµατικότητα αλλά είναι περισσότερο ένα µαθηµατικό µοντέλο. Η χρησιµότητά του βρίσκεται στη µελέτη της επίδρασης των διάφορων εξελικτικών παραγόντων πάνω του, καθώς επίσης και η σύγκρισή του µε πραγµατικούς πληθυσµούς, των οποίων τη δοµή λαβαίνουµε από εργαστηριακά δεδοµένα. Η σύγκριση αυτή µας επιτρέπει να διαπιστώσουµε αν ο πραγµατικός πληθυσµός προσεγγίζει την ισορροπία ή όχι και γιατί. Ένας πληθυσµός ισορροπίας έχει δύο βασικές ιδιότητες: (i) οι συχνότητες τόσο των γενότυπων όσο και των αλληλοµόρφων είναι συνάρτηση των συχνοτήτων των αλληλοµόρφων της προηγούµενης γενιάς (νόµος Hardy Weinberg του 1908), (ii) Οι συχνότητες γενότυπων και αλληλοµόρφων παραµένουν σταθερές από γενιά σε γενιά, όσο ισχύουν οι παραπάνω συνθήκες. Αν έστω και µία από αυτές µεταβληθεί, τότε χάνεται η ισορροπία. Wilhelm Weinberg Godfrey Harold Hardy (1862-1937) (1877-1947) 82
Γενετική πληθυσµών Ο νόµος των Hardy - Weinberg ανακαλύφτηκε το 1908 από τον Βρετανό µαθηµατικό G.H. Hardy και το Γερµανό γιατρό W. Weinberg ανεξάρτητα. Αυτός εκφράζει τον υπολογισµό των πιθανοτήτων εµφάνισης των γενότυπων σε µία γενιά από τους γαµέτες της προηγούµενης. Στη γονιδιακή θέση µε τα δύο αλληλόµορφα (Α) και (a), η συχνότητα των δύο αυτών αλληλοµόρφων είναι p και q αντίστοιχα. Σε έναν πληθυσµό ισορροπίας, η ίδια συχνότητα θα ανταποκρίνεται και στους γαµέτες που παράγονται, θηλυκούς και αρσενικούς. Έτσι, η πιθανότητα εµφάνισης του οµοζυγωτού γενότυπου (ΑΑ) στην επόµενη γενιά θα είναι: P AA = 2 ( ) = p p p Το ίδιο ισχύει και για τον οµοζυγωτό γενότυπο (aa): P aa = 2 ( ) = q q q Για τον ετεροζυγωτό γενότυπο (Aa) ισχύει η σχέση: ( p q) + ( p q) pq P Aa = 2 ( ) = Σχηµατική παράσταση του υπολογισµού των συχνοτήτων των απογόνων ενός πληθυσµού ισορροπίας µε βάση το νόµο των Hardy Weinberg Αλληλόµορφο Α µε Θηλυκοί συχνότητα p γαµέτες Αλληλόµορφο a µε συχνότητα q Αρσενικοί γαµέτες Αλληλόµορφο Α µε συχνότητα p Αλληλόµορφο a µε συχνότητα q AA Aa p 2 2pq Aa aa 2pq q 2 Αθροίζοντας τις συχνότητες των γενοτύπων ενός πληθυσµού ισορροπίας καταλήγουµε στη µονάδα. Η σχέση αυτή συνοψίζει το νόµο των Hardy Weinberg, όπως φαίνεται και στο πιο κάτω σχήµα: p 2 + 2 pq + q 2 = 1 83
Εισαγωγή στη δασική γενετική Όπως αναφέραµε πριν, ο πληθυσµός ισορροπίας είναι ένα θεωρητικό µοντέλο ενός πληθυσµού σε µία γονιδιακή θέση που το χρησιµοποιούµε για να ελέγξουµε κατά πόσο ένας φυσικός πληθυσµός βρίσκεται σε ισορροπία ή όχι. Αν και οι συνθήκες του πληθυσµού ισορροπίας είναι εξαιρετικά απίθανες στην πράξη, όταν ένας φυσικός πληθυσµός έχει µεγάλο µέγεθος και λίγο ως πολύ οµοιόµορφη δοµή στο χώρο, τότε η απόκλιση από την κατάσταση ισορροπίας είναι µικρή. Για να υπάρχει ισορροπία σε έναν πληθυσµό πρέπει να ισχύει ο νόµος Hardy Weinberg. Πρέπει δηλαδή για κάθε οµοζυγωτό γενότυπο µε συχνότητα (Ρ χχ ) και κάθε ετεροζυγωτό µε συχνότητα (Ρ χψ ) να ισχύει: 2 ( χχ ) pχ P = και P( χψ ) = 2 pχ pψ Με τον τρόπο αυτό µπορούµε να ελέγξουµε αν ένας πληθυσµός βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας ή όχι. Ο νόµος των Hardy Weinberg ισχύει και στις περιπτώσεις που υπάρχουν πάνω από δύο αλληλόµορφα σε µία γονιδιακή θέση. Παράδειγµα: Έλεγχος ισορροπίας σε τρεις πληθυσµούς Στον πίνακα φαίνονται οι συχνότητες των γενότυπων τριών πληθυσµών: Πληθυσµός P AA P Aa P aa 1 0,3 0,0 0,7 2 0,2 0,2 0,6 3 0,1 0,4 0,5 Υπολογίζουµε τις συχνότητες αλληλοµόρφων και διαπιστώνουµε ότι και οι τρεις πληθυσµοί έχουν ίδια δοµή. Να εξεταστεί ποιος από τους τρεις πληθυσµούς βρίσκεται πιο κοντά σε συνθήκες ισορροπίας. Πληθυσµός 1 p = 0,3 q = 0,7 Πληθυσµός 2 p = 0.2 + ½ (0,2) = 0,3 q = 0.6 + ½ (0,2) = 0,7 Πληθυσµός 3 p = 0.1 + ½ (0,4) = 0,3 q = 0.5 + ½ (0,4) = 0,7 Μόνο ο πληθυσµός 3 βρίσκεται κοντά σε κατάσταση ισορροπίας επειδή ισχύει ο νόµος Hardy Weinberg: p2 + 2pq + q2 = 1. Είναι (0,3)2 + 2 (0,3) (0,7) + (0,7)2 = 1 και 0,09 + 0,42 + 0,49 = 1. Αφού για κάθε οµοζυγωτό γενότυπο ισχύει 2 ( χχ ) pχ P = τότε για το σύνολο των οµοζυγωτών γενότυπων σε ένα γονιδιακό τόπο ισχύει: P = 2 ii p i Το µέγεθος αυτό, το σύνολο δηλαδή των συχνοτήτων των οµοζυγωτών γενότυπων ενός πληθυσµού αντιστοιχεί στο ποσοστό των οµοζυγωτών γενότυπων στο σύνολο του πληθυσµού. Hom = Με την ίδια λογική, το σύνολο των ετεροζυγωτών γενότυπων ενός πληθυσµού ισορροπίας σε ένα γονιδιακό τόπο θα είναι: 2 p i 84
Γενετική πληθυσµών Het = 2 1 i Hom Het = 1 p Βλέπουµε ότι το µέγεθος αυτό ισούται µε το δείκτη ποικιλότητας εντός πληθυσµών που είχαµε βρει στο προηγούµενο µάθηµα και συµβολίζεται µε HHW, που στα αγγλικά σηµαίνει «ετεροζυγωτία Hardy-Weinberg». Αυτό σηµαίνει, ότι το µέγεθος HHW εκφράζει το ποσοστό των ετεροζυγωτών γενότυπων που αναµένονται σε έναν πληθυσµό ισορροπίας και γι αυτό λέγεται και αναµενόµενη ετεροζυγωτία. HHW = 2 1 i p Σε έναν πληθυσµό ισορροπίας ισχύει δηλαδή: Het = HHW Η σύγκριση της αναµενόµενης µε την παρατηρούµενη ετεροζυγωτία, αυτή δηλαδή που προκύπτει από τις πειραµατικές µας παρατηρήσεις, αποτελεί µία ακόµα µέθοδο ελέγχου, για το αν ένας πληθυσµός βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας ή όχι. Γενετική ποικιλότητα στο χώρο και στο χρόνο Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, ο έλεγχος της ισορροπίας που γίνεται σε έναν φυσικό πληθυσµό συχνά µας δίνει απόκλιση από την κατάσταση ισορροπίας. Αν η απόκλιση είναι σηµαντική, τότε ερευνούµε ποιες από τις συνθήκες του πληθυσµού ισορροπίας δεν ισχύουν. Ο προβληµατισµός αυτός αποτελεί κεντρικό τρόπο δράσης της έρευνας της γενετικής πληθυσµών. Ερευνούνται δηλαδή οι παράγοντες εκείνοι που προκαλούν αλλαγές στις συχνότητες των αλληλοµόρφων. Η µεταβολή των γενετικών δοµών µπορεί να γίνεται στο χώρο ή στο χρόνο. Η µεταβολή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο είναι διαδεδοµένη και µπορεί να συµβεί σε µεγάλη κλίµακα ή σε µικρή κλίµακα, ανάλογα µε τις ιδιαιτερότητες των οργανισµών που εξετάζουµε και τους παράγοντες που διαµόρφωσαν την ποικιλότητα αυτή. Μεταβολή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο σε µικρή κλίµακα. Γενετικές δοµές του ενζύµου MDH-1 σε δύο διαφορετικά αστικά οικοδοµικά τετράγωνα. 85
Εισαγωγή στη δασική γενετική Μεταβολή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο σε µεγάλη κλίµακα. ιαφορά στις συχνότητες των απλοτύπων στο χλωροπλαστικό DNA της οξιάς στην Ελλάδα, όπως προκύπτει από τη χρήση του SSR primer ccmp7. Στο χρόνο, η γενετική ποικιλότητα µεταβάλλεται σε µικρή κλίµακα (µέσα σε ένα έτος) ή σε µεγάλη (σε επίπεδο χιλιετιών). Και αυτές οι µεταβολές εξαρτώνται από τη δράση συγκεκριµένων παραµέτρων και από τη φύση των οργανισµών που εξετάζουµε. Μεταβολή της γενετικής ποικιλότητας στο χρόνο. Η συχνότητα του αλληλοµόρφου F στο ένζυµο LAP σε 4 πληθυσµούς του θηλαστικού Microtus orchogaster 86
Γενετική πληθυσµών Τα επίπεδα της γενετικής ποικιλότητας που παρατηρούνται σε φυσικούς πληθυσµούς και οι παράγοντες που προκαλούν τις µεταβολές στο χώρο και στο χρόνο είναι το κεντρικό αντικείµενο της γενετικής πληθυσµών. Η γενετική ποικιλότητα θεωρείται ιδιαίτερα σηµαντική για την εξέλιξη αφού αποτελεί την πρώτη ύλη της διαδικασίας αυτής. Η ύπαρξη ποικιλότητας, όπως θα δούµε και στις επόµενες ενότητες είναι η βασική προϋπόθεση για την προσαρµογή των πληθυσµών στις ολοένα µεταβαλλόµενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Άρα, η διαφύλαξη σηµαντικών επιπέδων γενετικής ποικιλότητας στα είδη είναι βασική προϋπόθεση για την προστασία τους και την αειφορική τους διαχείριση σε βάθος χρόνου. Οι διαδικασίες που µεταβάλλουν τη γενετική ποικιλότητα σε έναν πληθυσµό και «προκαλούν» την εξέλιξή του λέγονται εξελικτικοί παράγοντες. Αυτοί µπορεί να είναι: o οι µεταλλάξεις, o η ροή γονιδίων, o η φυσική επιλογή, o η γενετική εκτροπή και o η µη τυχαία αναπαραγωγή. Μεταλλάξεις Τις µεταλλάξεις και το µηχανισµό από τον οποίο προκαλούνται εξετάσαµε σε περασµένα κεφάλαια. Εδώ θα διερευνήσουµε την επίδραση που αυτές έχουν στις συχνότητες των αλληλοµόρφων των πληθυσµών. Οι µεταλλάξεις είναι τυχαίες αλλαγές της γενετικής πληροφορίας ενός οργανισµού, που αποτελούν απαραίτητη προϋπόθεση ύπαρξης της γενετικής ποικιλότητας. Οφείλονται σε ένα µηχανισµό που προκαλεί αλλαγές σε επίπεδο νουκλεοτιδίων, χρωµοσωµάτων ή του αριθµού των γονιδίων. Οι πιο πολλές µεταλλάξεις προκαλούν θάνατο του οργανισµού, ή δεν εκφράζονται και είναι ουδέτερες. Ένα ελάχιστο ποσοστό από αυτές δηµιουργούν νέα αλληλόµορφα, που θα παραµείνουν ή θα εξαφανιστούν από τον πληθυσµό ανάλογα µε τους άλλους εξελικτικούς παράγοντες. Ο ρυθµός των µεταλλάξεων υπολογίζεται ότι είναι από 10-6 ως 10-8 ανά γενεά. Η µετάλλαξη είναι ιδιαίτερα σηµαντική παράµετρος της εξέλιξης επειδή µπορεί να δηµιουργήσει νέα αλληλόµορφα. Από µόνη της όµως δεν είναι σε θέση να προκαλέσει σηµαντικές αλλαγές στις συχνότητες των αλληλοµόρφων ενός πληθυσµού, επειδή η εµφάνιση των νέων αλληλοµόρφων είναι πολύ σπάνια. Αν ορίσουµε έναν θεωρητικό πληθυσµό µε ένα µόνο αλληλόµορφο (Α) σε µία γονιδιακή θέση, όπου συµβαίνει µετάλλαξη από το (Α) προς το (a) µε ρυθµό (µ), τότε µπορούµε να προσοµοιώσουµε τη µεταβολή των συχνοτήτων στο χρόνο για τον πληθυσµό αυτό µε τη βοήθεια ειδικών µοντέλων. Προσοµοίωση δέκα τυχαίων σεναρίων µεταβολής των συχνοτήτων του αλληλοµόρφου Α για δύο διαφορετικούς ρυθµούς µετάλλαξης (µ) Και στις δύο περιπτώσεις που προσοµοιώθηκαν µε ρυθµό µετάλλαξης µ=10-4 και µ=10-6 ανά γενεά, όπου δεν υπήρξε άλλος εξελικτικός παράγοντας πλην της µετάλλαξης, βλέπουµε ότι 87
Εισαγωγή στη δασική γενετική ακόµα και µετά από 1000 γενιές η συχνότητα του αλληλοµόρφου Α παραµένει σε πολύ υψηλά επίπεδα. Ροή γονιδίων Η ροή γονιδίων είναι η εξελικτική εκείνη παράµετρος που περιλαµβάνει τη µετακίνηση ατόµων ή γαµετών από έναν πληθυσµό σε έναν άλλο. Πρόκειται για αµφίδροµη διαδικασία. Αν οι δύο πληθυσµοί διαφέρουν στη γενετική τους δοµή, τότε οι συχνότητες των αλληλοµόρφων αλλάζουν λόγω της εισροής ή εκροής αλληλοµόρφων. Η σηµασία της για τους πληθυσµούς είναι µεγάλη, καθώς θεωρείται πολύ µεγάλη η επίδρασή της σε άλλους εξελικτικούς παράγοντες. Μικρή ροή γονιδίων αποµονώνει τους πληθυσµούς και εντείνει τους άλλους εξελικτικούς παράγοντες και τελικά προκαλεί διαφοροποίηση µεταξύ των πληθυσµών. Αντίθετα, όταν έχουµε µεγάλη ροή γονιδίων, τότε η γονιδιακή δεξαµενή των πληθυσµών οµογενοποιείται και αναστέλλονται οι άλλοι εξελικτικοί παράγοντες µε τελικό αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός ενιαίου πληθυσµού. Για να υπολογίσουµε την επίδραση της ροής των γονιδίων στη γενετική δοµή ενός πληθυσµού δηµιουργήσαµε ένα απλοποιηµένο µοντέλο προσοµοίωσης. Ας υποθέσουµε ότι υπάρχει ροή του αλληλοµόρφου Α από έναν πληθυσµό «ποµπό» προς έναν πληθυσµό «δέκτη». Έστω p t η συχνότητα του αλληλοµόρφου Α σε έναν πληθυσµό δέκτη κατά τη γενιά t. Αντίστοιχα ορίζουµε ως P τη συχνότητα του ίδιου αλληλοµόρφου στον πληθυσµό ποµπό (από τον οποίο δηλαδή προέρχεται το αλληλόµορφο Α που τελικά καταλήγει στον πληθυσµό δέκτη). Η συχνότητα P δεν µεταβάλλεται στο χρόνο. Επιπλέον ορίζουµε ως m την αναλογία των ατόµων του πληθυσµού δέκτη που προέρχονται από τον πληθυσµό ποµπό. Ισχύει τότε: p = (1 m) p + mp = p + m( P p ) t + 1 t t t Η διαφορά στη συχνότητα µεταξύ της γενιάς t και της επόµενης t+1 στη συχνότητα του αλληλοµόρφου Α θα είναι τότε: p = pt + 1 pt t = m( P p ) Η τελευταία σχέση µας δίνει τους παράγοντες που προκαλούν αλλαγές στη συχνότητα του αλληλοµόρφου A από γενιά σε γενιά λόγω της ροής γονιδίων. Οι αλλαγές αυτές είναι ανάλογες του ποσοστού µετανάστευσης m και της διαφοράς στη συχνότητα του αλληλοµόρφου Α ανάµεσα στον πληθυσµό «ποµπό» και τον πληθυσµό «δέκτη». Οι γραφικές παραστάσεις του πιο πάνω µοντέλου (σχήµα επόµενης σελίδας) αποδεικνύουν ότι ακόµα και µικρή ροή της τάξης του m=0,01 αρκεί να αλλάξει σηµαντικά έναν πληθυσµό όταν δέχεται αλληλόµορφα από πηγή µε διαφορετική γενετική δοµή. Στην πράξη, τα φυτά δεν µπορούν να µετακινηθούν σαν πλήρεις οργανισµοί, η γενετική τους πληροφορία όµως µετακινείται σε µεγάλες αποστάσεις, χάρη σε δύο βασικούς µηχανισµούς: (α) στη µετακίνηση των αρσενικών γαµετών µέσω της µεταφοράς της γύρης και (β) στη µετακίνηση των εµβρύων µέσα από τους σπόρους. Επίσης δυνατή είναι και η µεταφορά αναπαραγωγικού υλικού γενικότερα, κυρίως µε τη βοήθεια του ανθρώπου (σπόροι, µοσχεύµατα, φυτάρια, κλπ.). Ως ροή γονιδίων µε τη στενή έννοια ορίζεται µόνο η µεταφορά της γύρης. Η µεταφορά των σπόρων ή άλλου υλικού λέγεται µετανάστευση. Και οι δύο κατηγορίες µπορούν όµως να οριστούν ως ροή γονιδίων µε την ευρεία έννοια. Η ροή γονιδίων µπορεί να θεωρηθεί και σαν γεγονός που συµβαίνει µέσα σε έναν πληθυσµό, από υποπληθυσµό σε υποπληθυσµό, ή από άτοµο σε άτοµο. Για το λόγο αυτό συνδέεται στενά µε την αναπαραγωγή των φυτικών ειδών. Ιδιαίτερα η µεταφορά της γύρης είναι καθοριστική για τη λειτουργία των αναπαραγωγικών διαδικασιών. Η ροή γονιδίων πρέπει να θεωρείται µέρος του αναπαραγωγικού συστήµατος και έχει τεράστια σηµασία για την περιγραφή του. 88
Γενετική πληθυσµών (α): p t = 1, P = 0,5, m = 0,01 (b): p t = 1, P = 0,9, m = 0,01 (c): p t = 1, P = 0,5, m = 0,1 Γράφηµα τριών χαρακτηριστικών περιπτώσεων ροής γονιδίων από έναν πληθυσµό σε έναν άλλο. Όταν η ροή γονιδίων είναι µικρή αλλά η διαφορά των συχνοτήτων του αλληλοµόρφου µεγάλη, τότε η αλλαγή είναι µεγάλη και µετά από 100 γενιές η συχνότητα του αλληλοµόρφου είναι πολύ διαφορετική (α). Στην περίπτωση (β) ο πληθυσµός δέκτης τείνει προς τη συχνότητα του πληθυσµού ποµπού αλλά αφού η διαφορά των συχνοτήτων του Α δεν είναι µεγάλη, δεν αλλάζει σηµαντικά η γενετική σύσταση του πληθυσµού δέκτη. Όταν ροή γονιδίων γίνεται πιο έντονη τότε ακόµα και σε λίγες γενιές οι αλλαγές της συχνότητας του Α στον πληθυσµό δέκτη είναι πολύ σηµαντικές (γ). 89
Εισαγωγή στη δασική γενετική Η µεταφορά της γύρης γίνεται µέσα από διάφορους µηχανισµούς. Ο άνεµος είναι ο πιο βασικός φορέας µεταφοράς της γύρης στις µεσογειακές και εύκρατες περιοχές, ενώ σπανίζει στις τροπικές. Πρόκειται για µία µετακίνηση γύρης που επηρεάζεται από την κατεύθυνση και ταχύτητα του ανέµου και την πυκνότητα και δοµή της συστάδας. Μελέτες έχουν αποδείξει, ότι τα γειτονικά άτοµα γονιµοποιούνται µε µεγαλύτερη πιθανότητα από τα υπόλοιπα. Άλλες µελέτες όµως έχουν αποδείξει ότι η κίνηση του ανέµου στη συστάδα δεν είναι γραµµική, αλλά στροβιλώδης µε χαοτική συµπεριφορά. Η γύρη, π.χ. των κωνοφόρων, µπορεί να φτάσει ακόµα και εκατοντάδες χιλιόµετρα χωρίς να χάσει την ικανότητά της να γονιµοποιεί. Αυτά τα στοιχεία πρέπει να λαµβάνονται ιδιαίτερα υπόψη κατά το σχεδιασµό σποροπαραγωγών κήπων, πειραµατικών φυτειών και κατά τη συλλογή σπόρων. Η γύρη µπορεί να µεταφέρεται και µέσω σπονδυλωτών ζώων, κάτι που είναι σπάνιο στις εύκρατες περιοχές, αλλά ιδιαίτερα σηµαντικό στις τροπικές. Θηλαστικά, όπως είναι οι νυχτερίδες, οι πίθηκοι και ορισµένα τρωκτικά ή πτηνά προσελκύονται από τα µεγάλα και εντυπωσιακά άνθη των τροπικών δέντρων και µεταφέρουν τη γύρη σε µεγάλες αποστάσεις. Άλλα είδη που παίζουν σηµαντικό ρόλο στη µεταφορά της γύρης είναι διάφορα έντοµα, όπως είναι οι µέλισσες και οι σφήκες, οι πεταλούδες και σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις τα σκαθάρια. Ειδικά οι µέλισσες µπορούν και µεταφέρουν γύρη από άνθος σε άνθος στην κώµη του ίδιου είδους σε µεγάλες αποστάσεις. Πολλά είδη φυτών έχουν συνεξελιχθεί µε τα είδη εντόµων που τα γονιµοποιούν. Η γονιµοποίηση µέσω εντόµων είναι ο πιο συχνός τρόπος µεταφοράς της γύρης στα τροπικά δάση. Η αποτελεσµατικότητα της ροής γονιδίων µέσω γύρης ή σπόρων παίζει πολύ µεγάλο ρόλο στη διαµόρφωση του αναπαραγωγικού συστήµατος και του µεγέθους του αναπαραγόµενου συνόλου δέντρων σε έναν πληθυσµό. Η ροή γονιδίων διαµορφώνει την κατανοµή των γενετικών δοµών στο χώρο, την ποικιλότητα µέσα στους πληθυσµούς και τελικά τη γενετική διαφοροποίηση που εµφανίζεται ανάµεσα σε πληθυσµούς και υποπληθυσµούς. Χαµηλή ροή γονιδίων οδηγεί σε µικρούς, σχεδόν αποµονωµένους αναπαραγωγικά πληθυσµούς, που πιθανόν να διαφοροποιηθούν µεταξύ τους λόγω της φυσικής επιλογής και της γενετικής εκτροπής, όπως θα δούµε και πιο κάτω. Αν µάλιστα προκύψουν αναπαραγωγικοί φραγµοί, τότε οι πληθυσµοί αυτοί θα οδηγήσουν σε νέα είδη. Υψηλή ροή γονιδίων µέσω σπόρων ή γύρης µειώνει τη διαφοροποίηση ανάµεσα στους πληθυσµούς ή τους υποπληθυσµούς. Με τον τρόπο αυτό µειώνεται η επίδραση της γενετικής εκτροπής και της φυσικής επιλογής, εκτός αν αυτή είναι εξαιρετικά ισχυρή και δηµιουργεί ποικιλότητα σε ορισµένους γονιδιακούς τόπους προσαρµοστικού χαρακτήρα. Οι σπόροι δεν είναι τόσο ικανοί στη διασπορά της γενετικής πληροφορίας όσο η γύρη. Ορισµένα είδη δέντρων έχουν αναπτύξει ιδιαίτερους µηχανισµός στους σπόρους (π.χ. πτερύγια) για να υποβοηθούν τη µεταφορά τους σε µεγάλες αποστάσεις. Άλλα είδη έχουν βαρείς σπόρους και σχηµατίζουν τις λεγόµενες «οικογενειακές δοµές» µέσα στη συστάδα, δηλαδή µικρές οµάδες δέντρων µε παρόµοια γενετική δοµή. Η απόσταση που µπορεί να διανύσει ο σπόρος ενός δέντρου καθορίζει τη δυνατότητα εξάπλωσής του σε νέα περιβάλλοντα και συχνά συσχετίζεται µε τη γενικότερη οικολογία και συµπεριφορά ενός δασικού είδους (π.χ. σκιανθεκτικότητα, φυτρωτικότητα των σπόρων, κ.α.). Η επίδραση του ανθρώπου είναι ιδιαίτερα καθοριστική στη µεταφορά γενετικού υλικού από πληθυσµό σε πληθυσµό, ή µε την ίδρυση νέων πληθυσµών. Αυτό συµβαίνει είτε επίτηδες, µέσα από τη χρήση καλλωπιστικών ή εµπορικά σηµαντικών δασικών ειδών σε διάφορα µέρη του κόσµου, ή σε προγράµµατα βελτίωσης, είτε ακούσια µε τη µεταφορά σπόρων και γύρης µέσα από τις ταξιδιωτικές δραστηριότητες των ανθρώπων. Είναι πολύ σηµαντικό να θεωρούµε τον άνθρωπο και τις αλλαγές που επιφέρει στη ροή γονιδίων των φυσικών και τεχνητών πληθυσµών των δέντρων. Παράδειγµα: Ροή γονιδίων στην ευρωπαϊκή οξιά. Σε διάφορους πληθυσµούς οξιάς στην Ευρώπη (Fagus sylvatica) οι DEMESURE et al (1996) µέτρησαν τη διαφοροποίηση ανάµεσά τους, µέσω της ανάλυσης χλωροπλαστικού DNA και ισοενζύµων. Τα 90