Økologiske og genetiske prosesser i naturlige bestander

Like dokumenter
Matematisk evolusjonær genetikk (ST2301)

serien Gråspurv, farskap og forskningsmetoder Maria Sviland, Henrik Jensen, Børge Moe, Åsa Borg Program for lærerutdanning Trondheim Nr.

FoU prosjekt Elghund Marte Wetten Geninova

Rettet avskytning er det rett avskytning?

Genetisk variasjon i naturlige populasjoner. grunnlag for foredling. Mari Mette Tollefsrud. Foto: Arne Steffensrem

Hvordan bevarer vi den genetiske variasjonen i foredlingen samtidig som vi henter ut størst mulig gevinst?

Kapittel 10, del 2: Klassisk genetikk: Mendels arvelover. -forhold som influerer fenotypen slik at den avviker fra det Mendel observerte:

Genbankbasert Kultivering

Matematisk evolusjonær genetikk, ST2301 Onsdag 15. desember 2004 Løsningsforslag

Ny kunnskap i avlsprogram. Anna K. Sonesson

FLERVALGSOPPGAVER EVOLUSJON

Evaluering av RAS - Oppdrettermøtet 18. november 2017

Genetiske interaksjoner mellom vill og oppdrettet laks

Hvordan drive en god fiskekultivering i ei lakseelv? Årsmøte NL 24.mai 2016 Drammen Anne Kristin Jøranlid

Indekser i avlsarbeidet: Kan vi se om de virker? Jørgen Ødegård Avlsforsker

DNA-profiler. DNA analyse fra ekskrementer. Foredragets oppbygning. DNA framtidens overvåkingsmetodikk på store rovdyr?

Norsk AlaskanMalamuteklubb. Oppdatering Polyneuropati

Løsningsforslag ST2301 Øving 4

Genetiske interaksjoner villfisk-oppdrettsfisk

EKSAMENSOPPGAVE I BI2033 POPULASJONSØKOLOGI

UNIVERSITETET I AGDER

Oppdretterseminar 20 21/3, i forbindelse med NBaK s årsmøte Genetikk og avl for hund II, v/ Hanna Helgeland.

Genetikk hos elvemusling - Prinsipper, Kunnskapsstatus, Kultivering og Veien videre. Elvemuslingseminar Stjørdal

Bærekraftig skogplanteforedling

Prosjektoppgaver om diusjonsprosesser og diusjonstilnærmelse

Kan vi ivareta genetisk variasjon samtidig som gevinsten øker

Obligatorisk innlevering 3kb vår 2004

Løsningsforslag ST2301 Øving 11

Resistent lakselus - kvifor er det eit problem og korleis diagnostisere resistens?

Genetisk variasjon, betydning for bestanders overlevelse og avgjørende for vellykket kultivering

Øving 12, ST1301 A: B:

Genetiske interaksjoner: Kunnskapsstatus og innblanding av oppdrettsfisk i elvene. Kevin A. Glover Ø. Skaala, V. Wennevik G.L. Taranger og T.

Forvaltning av moskus på Dovrefjell

Biologi og bestandsstatus hos hubro v/ Karl-Otto Jacobsen

Klinisk molekylærmedisin (4): Indirekte diagnostikk ved koblingsanalyser

Landsmøte for nordlandshest/lyngshest

R Opphavet til rømt smolt i Oltesvikbekken i Ryfylke våren 2008 A P P O R T. Rådgivende Biologer AS 1168

EKSAMENSOPPGAVE I BI3010 Populasjonsgenetikk (Population genetics) BOKMÅL SPØRSMÅL 1-7 VEIER LIKT

Født sånn OG blitt sånn: gener og miljø i barns utvikling

Oversikt over kap. 11. Kap. 11 Den direkte påvisning av genotype skiller individuelle genomer. Fire klasser av DNA polymorfismer.

Hva vet vi om effekten av kultivering?

Resistent lakselus. Helene Børretzen Fjørtoft PhD-stipendiat Institutt for biologiske fag Ålesund. Trondheim Gjøvik Ålesund RS RS

Fra fenotype til genotype -utvikling av avlsprogram for de Norske Elghundrasene. Marte Wetten, Aninova AS

Genomisk seleksjon - nytt tiltak i geiteavlen?

DRONENE BIFOLKETS HANNBIER

Fjellreven tilbake på Finse

NFR : Avansert overvåking av introdusert krepsepest (Aphanomyces astaci) for bedre forvaltning av truet ferskvannskreps

Fjellreven tilbake i Junkeren

Examination paper for ( BI2033 ) ( Population Ecology/ Populasjonsøkologi )

Faglig strategi

Hønsefugls bestandsdynamikkmed fokus på rypene

Småblank i øvre Namsen er truet av kraftutbygging. Ole Kristian Berg, Biologisk Institutt, NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

Rasespesifikk avlsstrategi (RAS) for gammel dansk hønsehund

VEDLIKEHOLD AV EGENSKAPER OG FORBEDRINGER

BioAlder, et midlertidig verktøy for biologisk aldersvurdering

Vegard Eldholm. Molekylær TB epidemiologi

AVL MOT ILA. FHFs ILA workshop Borghild Hillestad April 2017

Prosjektoppgaver om diusjonsprosesser og diusjonstilnærmelse

Heuristisk søk 1. Prinsipper og metoder

Oversikt. Heuristisk søk 1. Kombinatorisk optimering Lokalt søk og simulert størkning Populasjonsbasert søk. Prinsipper og metoder

FIG 1 Geografisk fordeling av alle prøver; gul = fungerende, rød = ikke-fungerende

Populasjonsovervåkning av jerv ved hjelp av ikke-invasiv DNA analyse.

Demodex (hårsekkmidd) Det latinske navnet på hunders hårsekkmidd. Sykdommen, som er en midd, forårsaker demodekose.

Løsningsforslag ST2301 Øving 6

Eksamensoppgave i TMA4255 Anvendt statistikk

Evolusjonens tvangstrøyer

Farge avl på spælsau

Horndykker (Podiceps auritus) i Buskerud Torgrim Breiehagen og Per Furuseth

NINA Minirapport 244. Vandringssperre for signalkreps i Buåa, Eda kommun, Sverige

GRUNNLEGGENDE GENETISKE BEGREPER Del I - en serie om kattegenetikk

FLERVALGSOPPGAVER EVOLUSJON

Problemer knyttet til seleksjon

Løsningsforslag ST2301 Øving 9

Hej Anne Vi har ikke nogle registrede sundheds problemer på AP men flere opdrættere er opmærksomme på løse knæskaller og ved problemer med tand skift

Avlsarbeid - luseresistens

Løsningsforslag ST2301 Øving 2

Rasespesifikk avlsstrategi (RAS) for

LEKSJON 4: BIOTEKNOLOGI HVORDAN VI BRUKER NATURENS EGNE MEKANISMER TIL VÅR FORDEL, OG UTFORDRINGENE SOM FØLGER MED

Referat fra Starum april 2013: Utforming av Norsk Lundehund Klubbs nye avlsstrategi. Ingvild Svorkmo Espelien, Hanna Gautun og Turid Helfjord

BAKGRUNN METODIKK Tabell 1 Prøvemateriale Län 119

Vanntemperaturen under fosterutviklingen hos laks har betydning for utviklingen seinere i livet

Avlsindekser. Hva er en avlsindeks?

Dragehode i NINA pågående arbeid og tanker om overvåking. Marianne Evju, Olav Skarpaas & Odd Stabbetorp

Kvina Elveeierlag Fellesforvaltning

Foredlingsmetoden fra plusstreutvalg og avkomtesting til molekylær genetikk! Øystein Johnsen, Skog og landskap

Rødlista og svartelista hvordan kan de bidra til forvaltning av økosystemtjenester?

Hvor er responsen når vi ikke bruker den? Tore Vignes og Stein Evensen

Genetikk i skogen. Jørn Henrik Sønstebø

Arv og miljø i stadig endring. Per Holth. professor, Høgskolen i Akershus

WWF etterlyser plan for oppnåelse av bestandsmål for bjørn i Norge

Klar for 3. generasjons frøplantasjer! Foredlingssenter Midt-Norge

BIO 1000 LAB-ØVELSE 2. Populasjonsgenetikk 20. september 2005

Hva er en rødliste? En rødliste er en gruppevis sortering av arter basert på deres risiko for å dø ut fra Norge

AVLSARBEID PÅ BUCKFASTBIER

FLERVALGSOPPGAVER ARV

Løsningsforslag ST2301 Øving 7

Revidering av avlsplan for kaldblodshester. Presentasjon til høring og forbundsvise høstkonferanser 2018

Feltbestemmelse av måker kan være både vanskelig og utfordrende. Dette

Bruk av DNA metoder for å definere elgbestander et forprosjekt

Kan vi stole på resultater fra «liten N»?

Transkript:

Økologiske og genetiske prosesser i naturlige bestander 140 Antall voksne individer 120 100 80 60 40 0 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 År Dr. Henrik Jensen Senter for bevaringsbiologi (CCB) NTNU, Trondheim 1 E-post: Henrik.Jensen@bio.ntnu.no Internett: www.bio.ntnu.no/users/henrikj/index.htm

Miljøutfordringer - trusler mot biologisk mangfold 1. Klimaforandringer 2 (Figur fra BIOS Biologi 2) Foto: Arne Nævra

Miljøutfordringer - trusler mot biologisk mangfold 2. Introduksjon/innvandring av nye og fremmede arter 3 (Bilder fra BIOS Biologi 2)

Miljøutfordringer - trusler mot biologisk mangfold 3. Habitatfragmentering Foto: Per Harald Olsen 4 (Figur fra BIOS Biologi 1)

Prosesser som påvirker populasjoners størrelse 5 (Figur fra BIOS Biologi 2)

Kan populasjoner takle miljøutfordringene? Klimaforandringer Fremmede arter Genetiske prosesser Økologiske prosesser Populasjonen tilpasser seg endringene og overlever! 6 Fragmentering

Senter for bevaringsbiologi (CCB) Hovedmål: Tverrfaglig forskning med fokus på dynamiske forandringer av det biologiske mangfoldet på ulike nivåer (gener, populasjoner og samfunn) Inkluderer professorer og forskere ansatt ved: Institutt for biologi (NTNU) Institutt for matematiske fag (NTNU) Norsk institutt for naturforskning (Trondheim/Tromsø) Norsk polarinstitutt (Tromsø) Samarbeidspartnere i: England, Finland, Frankrike, Nederland, Sverige, Sør-Afrika og USA 7 Mottar støtte fra: Norges Forskningsråd og NTNU

Gråspurvprosjektet en del av senter for bevaringsbiologi (CCB) Ledes av Prof. Bernt-Erik Sæther 2 forskere 2 stipendiater/post.doc. 3 Masterstudenter 2 Teknikkere/feltarbeidere 8

Gråspurvprosjektets modellsystem på Helgelandskysten 18 øyer >1600 km 2 Studert fra 1993 Data på >10000 ind I tillegg 13 andre populasjoner (2002-2007) 9

Populasjonssvingninger 160 140 120 Antall voksne individer Population size 100 80 60 40 20 0 10 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Kolonisering År Year Utryddelse

Hva er bra med dette modellsystemet? Stort geografisk område Mange avgrensa populasjoner Relativt små bestander Store svingninger i populasjonsstørrelser Utryddelse-kolonisering Spredning Lett å samle inn gode data 11 Godt egna til å se på prosesser som er viktige for overlevelsen til fragmenterte bestander

Litt om gråspurven 12 Liten spurvefugl (ca 14 cm og ca 32 gram) Vid utbredelse over hele verden Tilpassa mange miljøer og knytta til mennesker Standfugl Hekker fra mai-august Opptil 3 kull per hekkesesong I snitt 5 egg; ruges ca 12 dager Reirungene flygedyktige etter ca 14 dager Bare 15-20% overlever til de blir kjønnsmodne (1 år) Lever opptil 9 år (på Helgeland)

Prosjektets arbeidsmetode Følger generell naturvitenskapelig arbeidsmetode Hovedvekt på: a) feltarbeid for å samle inn data og b) laboratoriearbeid for genetiske analyser 13 (Figur fra BIOS Biologi 1)

14 Feltarbeid egg og unger

15 Feltarbeid - fangst

16 Feltarbeid - observasjon

17 Feltarbeid målinger av morfologi

Feltarbeid - blodprøve 25 mikroliter (ca 1% av blodmengden) Blod inneholder: DNA 18

Hva gir feltarbeidet oss? Populasjonsstørrelser Overlevelse til unger i reir Overlevelse til unger etter utflyging (rekruttering) Overlevelse til voksne Spredningsdata Individuelle data på morfologi MEN, feltarbeidet gir ikke data på individuell reproduktiv suksess! 19

Laboratoriearbeid DNA-teknikker Hovedmål: 1. Å identifisere genetiske foreldre og genetisk slektskap 2. Å få mål på individuell genetisk variasjon 20

Vi bruker genetiske markører Mikrosatellitter (korte, repeterte DNA-sekvenser) Immunforsvarsgener (Major Histocompatibility Complex, MHC) Skjematisk oppbygning av et gen: 21 (Figurer fra BIOS Biologi 2)

Genetisk farskapsanalyse PCR av mikrosatellitter Elektroforese av fragmenter Primere for PCR PCR-produkter separeres vha elektroforese Homologe kromosomer Fra far Fra far Fra mor Fra mor Repetert sekvens i en mikrosatellitt 22 (Figur fra http://www.accessexcellence.org/rc/vl/gg/index.php)

Kapillærelektroforese Elektroforese i kapillærer Fluorescerende DNA-fragmenter avleses med laser Rask og nøyaktig teknikk Prøve med DNA-fragmenter Kapillær i automatisk sekvenseringsmaskin Elektroforese Detektor Laser Datamaskin 23 Output

Kapillærelektroforese Fragmentanalyse (mikrosatellitter) Størrelse (antall basepar) 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415 420 425 20041004H1_A09_65_01.fsa 1 Blue Individ nr. 1 Genotype på Markør 1: Individ nr. 1 Genotype på Markør 2: 20041004H1_A09_65_01.fsa 1 Green 380 388 380.89387.91 304 303.57 308 307.90 Individ nr. 2 Genotype på Markør 1: 20041004H1_A10_73_02.fsa 2 Blue Individ nr. 2 Genotype på Markør 2: 20041004H1_A10_73_02.fsa 2 Green 370 418 369.04 418.30 24 (Figur fra http://www.genome.gov/glossary.cfm) 308 316 303.56 316.31

Genetisk farskapsanalyse PCR og elektroforese av flere mikrosatellitter - ulik farge Ett allel på hver mikrosatellitt fra mor, det andre fra far Mor Avkom Potensiell far 1 Potensiell far 2 Mikrosatellitt 1 Mikrosatellitt 2 3 par med homologe kromosomer Mikrosatellitt 3 25 (Figur fra http://www.accessexcellence.org/rc/vl/gg/index.php)

26 Genetisk slektskapstre

Kan populasjoner takle miljøutfordringene? Klimaforandringer Fremmede arter Genetiske prosesser Økologiske prosesser Populasjonen tilpasser seg endringene og overlever! 27 Fragmentering

Tre viktige prosesser illustrert med resultater fra prosjektet A. Evne til evolusjonær tilpasning B. Genetiske prosesser i små populasjoner C. Spredning mellom populasjoner Ta kontakt dersom du ønsker å få tilsendt de vitenskapelige artiklene som resultatene er henta fra: Henrik.Jensen@bio.ntnu.no 28 (Vær OBS på at noen av resultatene er ikke publisert enda)

Forutsetninger for evolusjonær tilpasning 1. Variasjon i fenotype (størrelse, atferd, kullstørrelse etc) 2. Seleksjon (sammenheng mellom fenotype og fitness ) 3. Arvbarhet (noe av variasjonen må ha genetisk grunnlag) Antall Generasjon 1: Generasjon 2: Størrelse Fitness: Det genetiske bidraget et individ har til framtidige generasjoner 29 (en kombinasjon av individets reproduksjon og overlevelse) (Figur fra BIOS Biologi 2)

Genetisk variasjon Enkelt system: Ett gen to alleler (ufullstendig dominans) Eksempel: Blomsterfarge hos løvemunn Homologe kromosomer Homologe kromosomer Homologe kromosomer R R R H H H Rød Rosa Kvit 30

Genetisk variasjon kvantitativt trekk Mange gener med mange alleler gir kontinuerlig fenotypisk variasjon (når gen-effektene er additive) Frekvens (antall individer) 31 Brystflekkstørrelse (Kromosomfoto fra http://rat.inst.bio.spbu.ru/posters/paris2001/sed.htm)

Genetisk variasjon - arvbarhet Andelen fenotypisk variasjon som skyldes gener kalles arvbarhet (h 2 ) Arvbarhet kan beregnes ved å se på fenotypisk likhet mellom slektninger 22 Sønnenes brystflekk 21 20 19 18 h 2 10% 32 (Fig viser data fra 6 år på Hestmannøy) 19 20 21 22 Farens brystflekk

Variasjon i reproduktiv suksess Det er stor forskjell mellom hanner i antall avkom de får 33

Seleksjon - parringssuksess Brystflekkstørrelse har en positiv effekt på parringssuksess 6 Antall partnere (basert på genetisk farskap) 5 4 3 2 1 0 34 (Fig viser data fra 5 år på Gjerøy) 16 17 18 19 20 21 22 23 Hannens brystflekk

Evolusjonær forandring av brystflekk? Brystflekken til ettåringer forventes å øke, men fluktuerer i stedet 20.6 20.4 Observert Brystflekkstørrelse 20.2 20.0 19.8 19.6 Forventa 19.4 35 19.2 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 År

Evolusjonær forandring av kroppsvekt? Arvbarheten til kroppsvekt er ca 35% Er under positiv seleksjon Kroppsvekta til ettåringer forventes å øke, men har i stedet minka 32.8 32.6 Kroppsvekt (g) 32.4 32.2 32.0 31.8 31.6 Forventa Observert 31.4 36 31.2 1994 1996 1998 2000 2002 År

Det er ikke godt samsvar mellom forventning og observasjon hvorfor? Miljøeffekter? Fluktuerende miljø Fluktuerende seleksjon Små bestander? Tilfeldig variasjon i reproduksjon og overlevelse Genetisk drift Flaskehalseffekter Innavl 37 (Figur fra BIOS Biologi 1)

Genetiske prosesser i små bestander Innavl: Parring mellom nært beslekta individer 1/2 Innavlskoeffisienten F: Sannsynligheten for at de to allelene på et gen hos et individ er identiske på grunn av avstamming 1/2 1/2 1/2 1/2 38 F = (1/2) 5 = 1/32 = 0.03125

Innavl hos gråspurven på Helgeland Utdrag fra slektskapstreet på Aldra med F er: 0 0 120 100 0 0 0 0 0 Number of fledglings Antall reirunger 80 60 40 20 0 0.25 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 F 0.1875 39 0.3474 Avkom etter halvsøsken Avkom etter bror-søster-parring

Effekter av innavl Innavl fører til redusert overlevelse Sannsynlighet Probability of for recruitment å rekruttere 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 40 F 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 F

Effekter av innavl Innavl fører til tap av genetisk variasjon Heterozygositet (genetisk H variasjon) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 41 F F

Populasjonsstørrelse og innavl Innavl øker når populasjonsstørrelsen minker 0.16 Gjennomsnittlig innavlsgrad (F) 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 20 40 60 80 100 Gjennomsnittlig populasjonsstørrelse 42

Men er dette hele sannheten? Aldra: Liten populasjon med høg innavlsgrad og grunnleggereffekt Hestmannøy: Større populasjon med lite innavl Hestmannøy Aldra Flaskehals-/grunnleggereffekt: 160 140 Hestmannøy Aldra Populasjonsstørrelse 120 100 80 60 40 20 0 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 År 43 Vi forventer lågere genetisk variasjon på Aldra enn på Hestmannøy (Figur fra BIOS Biologi 2)

Effekten av liten bestand er forskjellig på ulike typer gener! Aldra har lågere genetisk variasjon på mikrosatellitter Aldra har samme genetiske variasjon på immunforsvarsgener! Genetisk Genetisk diversitet diversitet (antall alleler) 7 6 5 4 3 Mikrosatellitter MHC I MHC II 44 2 Aldra Aldra Aldra Hestmannøy Hestmannøy Hestmannøy

Problemer i små bestander Innavl fører til: Dårligere overlevelse Tap av genetisk variasjon Men det ser ut til å finnes mekanismer som opprettholder viktig genetisk variasjon 45

Spredning mellom populasjoner En viktig prosess i små og fragmenterte populasjoner: Kan forhindre at bestanden blir for liten Kan bidra med ny genetisk variasjon Spredningsavstand Kort Langt 46 Kort Vingelengde Lang

Spredning en mekanisme for å unngå innavl? Migranter er er mer i slekt med andre på klekkeøya enn de som blir værende (dvs de fastboende eller residente ) Migranter er mindre i slekt med individene på øya de sprer seg til enn de som klekte der 0.10 Slektskap på klekkeøy Slektskap på immigrantøy 0.08 Genetisk slektskap 0.06 0.04 0.02 0.00 47 Resident Migrant Resident Migrant

Men bidrar immigrantene med gener? Immigrant-hanner lever litt kortere enn residente Ingen forskjell for hunner Hanner Hunner Overlevelse Resident Immigrant Immigrant Resident 48 År (alder) År (alder)

Men bidrar immigrantene med gener? Immigrant-hanner (I) har lågere fitness enn residente (R) Ingen forskjell for hunner Antall partnere Antall flygeklare unger Antall rekrutter 49

Men bidrar immigrantene med gener? Immigrant-hannenes brystflekk har betydning for genetisk bidrag Antall flygeklare # fledglings unger 0 2 4 6 8 Immigranter Residente 50 18 19 20 21 22 Brystflekkstørrelse Total badge size

Kan spredning tilføre nye individer til små populasjoner? I noen tilfeller - ja Men i de fleste populasjoner ser det ut til å være motsatt! Sannsynlighet Probability of for dispersal å emigrere 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 8 1 9 7 11 4 3 10 2 6 12 5 51 1 2 3 4 5 6 10 20 50 150 Population Populasjonsstørrelse size (log-transformed)

Oppsummering Vi har sett på noen av prosessene som er viktige for små og fragmenterte bestander Vi begynner å forstå hvordan disse prosessene kan påvirke overlevelsen til slike populasjoner Dette har vært mulig gjennom samarbeid med matematikere og statistikere ved CCB 52 Men nye spørsmål dukker stadig opp! For eksempel ønsker vi nå å undersøke: Spredningsprosessen (immigrasjon og populasjonsstørrelse) Hvordan klima og parasitter påvirker populasjonsfluktuasjoner Grunnlaget for fenotypisk variasjon på gen-nivå Hvordan seleksjon og genetisk drift virker sammen og former genetisk variasjon