chromosomal rearrangements as speciation mechanisms - italiano

Chromosomal rearrangements as speciation mechanisms

Tesi Magistrale in Biologia Molecolare

Universita’ degli Studi Milano BicoccaFacoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Corso di laurea in Scienze Biologiche N.O.

Autore: Cino Robin CastelliMatricola.: 032266

Relatore: Prof. Maurizio Casiraghi

Co-Relatore: Prof. Sergio Ottolenghi

Data: 9 Ottobre, 2015

1Chromosomal rearrangements as speciation mechanisms - Cino Robin Castelli 032266

2Chromosomal rearrangements as speciation mechanisms - Cino Robin Castelli 032266

“Over 90% (and perhaps 98%) of all speciation events are

accompanied by karyotypic changes and in the majority of these

cases, the structural chromosomal rearrangements have played

a primary role in initiating divergence.”

(White, M.J.D., 1978, Modes of Speciation p. 324)

Chromosomal rearrangements as speciation mechanisms - Cino Robin Castelli 032266 3

• Comprendere come alcune categorie diriarrangiamenti cromosomici possano fissarsi inpopolazioni, nononstante gli effetti fortementenegativi sulla fertilità degli eterozigoti.

• Creare un modello computerizzato dipopolazioni in cui siano fissate translocazionibilanciate e valutarne la resilienza rispettoall’immigrazione di individui Wild Type.

• Modificare il modello per valutare i possibilimeccanismi di insorgenza di geni rafforzanti laseparazione riproduttiva (reinforcement) evalutarne il potenziale ruolo nella genesi dinuove specie.

Scopo della Tesi:


Cosa si vuole dimostrare?

• La fissazione di traslocazioni cromosomiche in

piccole popolazioni isolate può portare a due esiti:

estinzione o speciazione.

• L’estinzione è di gran lunga l’esito più comune ma

non lascia tracce nel record evoluzionistico

citogenetico.


Cosa si vuole dimostrare?• La speciazione cromosomica è un evento raro ma chiaramente visibile

analizzando specie correlate.• I fattori che la regolano sono:

• Probabilità di traslocazione cromosomica bilanciata pergenerazione

• Dimensioni della popolazione locale in cui appare la traslocazione• Probabilità di fissazione della traslocazione nella popolazione• Fattori stocastici• Percentuale di ibridizzazione con individui WT nelle generazioni

successive• Tempo (numero di cicli riproduttivi necessari per far emergere

barriere riproduttive e ricreare la variabilità genetica iniziale)


“Species are groups of actually or potentially

interbreeding natural populations which are

reproductively isolated from other such groups”

(Ernst Mayr, 1942)

Concetto di specie utilizzato in questa tesi


Attraverso il regno Animale e Vegetale, in media

1 individuo ogni 500 è portatore di un qualche

riarrangiamento cromosomico(M.J.D. White, 1978)

Frequenza di riarrangiamenti

cromosomici


• Translocazioni Bilanciate• Negativamente eterotiche

• Documentato effetto sulla progenie

• Presenti in tutti i lignaggi animali e vegetali

Riarrangiamenticromosomici oggetto di

questa tesi


Effetti delle translocazioni bilanciate sui gameti:Eteroticità negativa

Omozigote Wild Type:

100% gameti bilanciati

Omozigote Traslocato:

100% gameti bilanciati

Eterozigote:

50% gameti sbilanciati


Effetti delle translocazioni bilanciate sui gameti:Gametogenesi in Eterozigoti Traslocato/Wild Type

50% gameti sbilanciati

25% gameti di tipo Wild Type

25% gameti di tipo Traslocato


Effetti delle translocazioni bilanciate:Fertilità dei possibili incroci

CROSSES Fitness Resulting genotypes of cross

Combined values (fitness x genotype)

WT WT 1 WT WT

NS NS 1 NS NS

M1 M1 1/2 1/2 WT + 1/2 M1 1/4 WT + 1/4 M1

M1 WT 1/2 1/2 M1 + 1/2 NS 1/4 M1 + 1/4 NS

M1 M1 5/16 3/5 M1 + 1/5 NS+1/5 WT 3/16 M1 + 1/16 NS + 1/16 WT

WT NS 1 M1 M1


Come predire l’evoluzione di una translocazionebilanciata in una popolazione?

La maniera abituale per alleli neutri (biallelici) è tramite laLegge di Hardy-Weinberg:

p2 + 2pq + q2 = 1In cui:

p = frequenza allele a nella popolazione

q = frequenza allele A nella popolazione

E:

p2 = frequenza genotipo aa nella prossima generazione

2pq = frequenza genotipo aA nella prossima generazione

q2 = frequenza genotipo AA nella prossima generazione

N.B.: Si tratta della semplice espansione del binomio (p+q)2=1


Perchè non possiamo usare HW direttamente?Hardy-Weinberg si basa su:

1) Assenza di selettività nella scelta del partner

2) Assenza di mutazioni

3) Assenza di selezione genetica

4) Assenza di deriva genica/fattori stocastici

5) Assenza di Meiotic Drive

Nel nostro caso abbiamo:

1) una forte selezione genetica contro l’eterozigote

2) Vogliamo valutare come una popolazione si comporti in risposta a migrazioni casualiripetute

3) Ci interessa l’effetto di nuove mutazioni che portino ad una selettività nella scelta delpartner che prevenga accoppiamenti tra omozigoti traslocati ed omozigoti wild type.


Modifiche apportate alla legge di Hardy-Weinberg per valutare le dinamiche di popolazione studiate: Popolazione traslocata

Espandiamo HW per omozigoti WT (WW), eterozigoti M1 (WN) e omozigoti NS (NN):

푊푇 = 휔2 + 12푚휔 + 1

4푚2, 푀1 = 2푠휔+ 1

2푚휔 + 1

2푠푚 + 1

2푚2 , 푁푆 = 푠2 + 1

2푠푚 + 1

4푚2

푃푂푃 푇표푡푎푙 = 휔2 + 푚휔 + 푚2 + 2푠휔+ 푠푚 + 푠2

흎 + 풎 + 풔 = ퟏ

Modifichiamo per includere le ridotte fitness per gli eterozigoti (differenze evidenziate):

푊푇 = 휔2 + 12푚휔 + 1

16푚2 푀1 = 2푠휔+ 1

2푚휔 + 1

2푠푚 + 1

4푚2 푁푆 = 푠2 + 1

2푠푚 + 1

16푚2

푃푂푃 푇표푡푎푙= 휔2 + 푚휔 + 38푚2 + 2푠휔 + 푠푚 + 푠2

흎 + 풎 + 풔 < ퟏ

휔 = Frazione di individui WT; 푚 = Frazione di individui M1; 푠 =Frazione di individui NS

Per la trattazione matematica delle equazioni si faccia riferimento alla tesi, sezione 2.1.


Simulazioni di popolazioni translocate: Dinamiche della popolazione traslocata in assenza di migrazione

Per il programma scritto in MATLAB™ per le simulazioni di popolazioni si facciariferimento alla tesi, sezione 2.9.

Il cariotipo Wild Type è stabile una volta fissato nella popolazione

Il cariotipo traslocato è stabile una volta fissato nella popolazione

Wild TypeStabile

TraslocatoStabile


Simulazioni di popolazioni translocate: Dinamiche della popolazione traslocata in assenza di migrazione

Per il programma scritto per le simulazioni di popolazioni si faccia riferimento alla tesi, sezione 2.9.

Il cariotipo Wild Type si fissa se ha una prevalenza iniziale sul traslocato

Il cariotipo traslocato si fissa se ha una prevalenza iniziale sul Wild Type

Wild TypeArriva a fissazione

TraslocatoArriva a fissazione


Simulazioni di popolazionitranslocate: Dinamiche dellapopolazione traslocata in assenza di migrazione

Il cariotipo Eterozigote traslocato/Wild Type è instabile.Popolazioni di Eterozigote traslocato/Wild Type decadono al cariotipo Wild Type o traslocato non appena uno dei due ha un leggero vantaggio sull’altro

Ibrido


TraslocatoArriva a fissazione


Simulazioni di popolazioni translocate: Effettidella migrazione di individui Wild Type

Una popolazione traslocato

può resistere a frequente

migrazione da Wild Type:

Sopravvivenza per 1,000

generazioni di immigrazione

di Wild Type tra 0% e 4% per

generazione.


Simulazioni di popolazioni translocate: Effettidella migrazione di individui Wild Type, collassodella popolazione

Una popolazione traslocato

può collassare se la

migrazione da Wild Type è

eccessiva:

Collasso a Wild Type dopo

4500 generazioni di

immigrazione di Wild Type tra

0% e 4% per generazione.


TraslocatoCollassa


Simulazioni di popolazioni translocate: Limiti allaresistenza alla migrazione di individui Wild TypeLa resistenza all’introgressione da parte di Wild Type ha precisi limiti.

La resistenza alla migrazione dipende sia dall’entità della migrazione sia dalla frequenza dell’evento migratorio, si tratta di una combinazione dei due fattori.

Translocated population Collapse threshold

Max. immigration per generation

Probability of immigration per

generation4.0% 100%6.0% 50%15% 25%


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di Reinforcement

Ipotizziamo ora la comparsa di ungene R, il cui effetto sia di far rifiutareal portatore l’accoppiamento conindividui WT.

GENOTYPE Variable (fraction of population)

WWMM aWWMR bWWRR cWNMM dWNMR eWNRR fNNMM gNNMR hNNRR i

CONSEGUENZE:1) l’accoppiamento AxB non è

necessariamente lo stesso di BxA.

2) Dobbiamo rimodellare le equazioni

3) Dobbiamo espandere il polinomio:

풂 + 풃 + 풄 + 풅 + 풆 + 풇 + 품 + 풉 + 풊 (풂 + 풃 + 풄 + 풅 + 풆 + 풇 + 품 + 풉 + 풊) = ퟏ


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di ReinforcementCombiniamo traslocazione e gene R:

푊푊푀푀 = 푎2푎+푑+푔 푃표푝퐴

+1

2, + 1

2푎푑

푎+푑+푔 푃표푝퐴

+1

2+ 1

4푏푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 5

64 푑2 + 5

64푑푒 + 1

8푒푖;

푊푊푀푅 = 14푏푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 1

2푐푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 5

64푑푒 + 5

32푑푓 + 5

64푒푓 + 1

4푒푖;

푊푊푅푅 = 564푒푓 + 1

8푒푖 + 5

64푓2;

푊푁푀푀 = 12푎푑


+1

2+ 2푎푔


+1

2+ 1

4푏푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 푏푔

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 5

32푑2 + 5

32푑푒 + 1

2푑푔+ 1

2푑ℎ + 5

128푒2 + 1

2푒푔 + 1

4푒ℎ + 1

4푒푖;

푊푁푀푅 = 14푏푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 푏푔

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 1

2푐푑

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 2푐푔

푑+푔푃표푝퐵

+1

2+ 5

32푑푒 + 5

16푑푓 + 1

2푑ℎ + 푑푖 + 5

64푒2 + 5

32푒푓 + 1

2푒푔 + 1

2푒ℎ + 1

2푒푖 + 푓푔 + 1

2푓ℎ;

푊푁푅푅 = 5128

푒2 + 532푒푓 + 1

4푒ℎ + 1

4푒푖 + 5

32푓2 + 1

2푓ℎ + 푓푖 ;

푁푁푀푀 = 564푑2 + 5

64푑푒 + 1

2푑푔+ 1

2푑ℎ + 5

128푒2 + 1

2푒푔 + 1

4푒ℎ + 1

8푒푖+ 푔2 + 1

4ℎ2 + 푔ℎ;

푁푁푀푅 = 564푑푒 + 5

32푑푓+ 1

2푑ℎ + 푑푖+ 5

64푒2 + 5

64푒푓 + 1

2푒푔 + 1

2푒ℎ + 1

4푒푖+ 푓푔 + 1

2푓ℎ + 2푔푖 + 1

2ℎ2 + ℎ푖+ 푔ℎ ;

푁푁푅푅 = 5128

푒2 + 564푒푓 + 1

4푒ℎ + 1

8푒푖+ 5

64푓2 + 1

2푓ℎ + 푓푖 + 1

4ℎ2 + ℎ푖 + 푖2;


Queste equazioni possono ora essere utilizzate per effettuare una serie di simulazioni evalutare l’impatto del gene R sulla resilienza all’invasione da parte di di invidui WT.



Il gene R non modifica il comportamento di popolazioni pure (il modello matematico è dunque corretto)

Popolazione stabile soli individui TraslocatoNNMM (senza gene R)

Popolazione stabile Wild Type

WWMM (senza gene R)

Popolazione instabile soli individui Ibridi

WNMM (senza gene R)


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di ReinforcementCariotipi Wild Type o Traslocato invadono la popolazione se sonorappresentati in numero maggiore l’uno rispetto all’altro.

Leggero vantaggio iniziale di WW, fissa WW entro 30

generazioni (senza gene R)

Leggero vantaggio iniziale di NN, fissa NN entro 30

generazioni (senza gene R)


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di Reinforcement• Il gene R conferisce aumentata resilienza all’introgressione.

• È in grado di apparire in una singola copia e crescere fino a 1/3 dellapopolazione in tempi molto rapidi.

10,000 generazioni,migrazione al 5% ,50% di probabilità.

Gene R appare con frequenza di 10-5.

100,000 generazioni, migrazione al 15%, 20% di probabilità.

Gene R appare con frequenza di 10-5.



Rispetto alla semplice popolazione Traslocato il gene R conferisce unaresistenza alla introgressione aumentata di un fattore tra 1.8 e 3.33

Translocated population

No R gene

Collapse threshold

Translocated population, R rejects WT,

R gene in equilibrium 1/3 to 2/3

Collapse thresholdFactor of improved

resistance to introgressionMax. immigration

per generationProbability of

immigration per generation

Max. immigration per generation

Probability of immigration per

generation

4.0% 100% 13.0% 100% 3.256.0% 50% 20.0% 50% 3.3315% 25% 27.0% 25% 1.8


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di Reinforcement totale

Cosa accade se il gene R fa rifiutare al portatorel’accoppiamento con individui WT ed individui ibridi WN?

CONSEGUENZE:1) Alcuni accoppiamenti non avvengono più.

2) Alcuni genotipi non possono esistere.

3) I portatori di R sono quasi totalmente isolati da WT e Ibridi

4) Dobbiamo riscrivere le equazioni di popolazione


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di Reinforcement totaleOtteniamo le seguenti equazioni;


푊푊푀푀 = 푎2 푎+푑+푔 푃표푝퐴

+ 12푎푑 푎+푑+푔

푃표푝_퐴+ 5

64 푑2 푎+푑+푔

푃표푝_퐴;

푊푊푀푅 = 0; 푊푊푅푅 = 0;

푊푁푀푀 = 12푎푑 푎+푑+푔

푃표푝_퐴+ 2푎푔


+1

2+ 5

32푑2 푎+푑+푔

푃표푝_퐴+ 1

2푑푔


+1

2;

푊푁푀푅 = 0; 푊푁푅푅 = 0 ;

푁푁푀푀 = 564푑2 푎+푑+푔

푃표푝_퐴+ 1

2푑푔


+1

2+ 푔2 + 1

4ℎ2 + 푔ℎ;

푁푁푀푅 = 2푔푖 + 12ℎ2 + ℎ푖 + 푔ℎ ;

푁푁푅푅 = 14ℎ2 + ℎ푖 + 푖2;


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di Reinforcement totaleIl gene di si comporta come il gene R e raggiunge ilvalore di equilibrio di 1/3

1,000 generazioni

migrazione al 15%

20% di probabilità.

Gene R totale appare con

frequenza di 10-6.


Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di ReinforcementIl gene di crea però una sottopopolazione (NNRR,

NNMR ed NNMM) che è quasi totalemente riproduttivamente isolata:

Di conseguenza, la popolazione Traslocato non è più a rischio di

estinzione.

La popolazione Traslocato/

è, in sostanza, una nuova specie.

100,000 generazioni

migrazione al 100%

100% di probabilità.

in frequenza 1/3.


Ruoli di fattori chiave nel processo di speciazione cromosomica

1. Dimensioni della popolazione locale

2. Fattori stocastici

3. Entità dell’accoppiamento degli individui traslocati con migranti WT

4. Pressione Selettiva

Gli effetti di ciascuno di questi fattori possono essere diametralmente opposti indipendenza della fase in cui si trova la popolazione:

1. Fase di emergenza iniziale del riarrangiamento cromosomico

2. Fase di post-fissazione della traslocazione

3. Fase di reinforcement

Fattori chiave nel processo di speciazione cromosomica:


Ruoli di fattori chiave nel processo di speciazione cromosomica

Probabile destino di una popolazione traslocata

Fattore

Fase

Emergenzariarrangiamento post-fissazione reinforcement

Dimensioni dellapopolazione locale Estinzione Fissazione Speciazione

Fattori Stocastici Estinzione o Fissazione Neutro Speciazione

Accoppiamento con individui wild type Estinzione Estinzione

Speciazione (più raramente Estinzione)

Pressione selettiva Estinzione Fissazione Speciazione

Effetto cumulativo Estinzione Fissazione Speciazione


Conclusioni• La fissazione di traslocazioni cromosomiche in piccole popolazioni isolate può

portare a due esiti: estinzione o speciazione.• L’estinzione è di gran lunga l’esito più comune ma non lascia tracce nel record

evoluzionistico citogenetico.• La speciazione è un evento raro ma chiaramente visibile analizzando specie

correlate (rif. Sezione 1.2.4.). I fattori che vanno tenuti in considerazione pervalutarne la probabilità sono:

• Probabilità di traslocazione cromosomica bilanciata per generazione• Dimensioni della popolazione locale in cui appare la traslocazione• Probabilità di fissazione della traslocazione nella popolazione• Fattori stocastici• Percentuale di ibridizzazione con individui WT nelle generazioni

successive• Tempo (numero di cicli riproduttivi necessari per far emergere barriere

riproduttive e ricreare la variabilità genetica iniziale)


Conclusioni• Il meccanismo di speciazione proposto spiega come dei geni di Reinforcement

possano essere essenziali per facilitare la formazione di nuove speciecromosomiche.

• I meccanismi di bottleneck ed effetto fondatore previsti in questo modello e ledinamiche di popolazione studiate spiegano come la popolazione in via dispeciazione avrà le seguenti caratteristiche:

• Elevato grado di similarità tra componenti la popolazione (alta consanguineità)• Significativa differenza dalla popolazione di origine (proporzionale alla varianza

all’interno della popolazione originale)• Presenza in proporzioni elevate di alleli rari nella popolazione di origine

(potenzialmente conferenti vantaggi selettivi in nuovi ambienti o condizioniambientali diverse dalle originali)

• Resistenza elevata alla reinvasione da parte della specie di origine• Forte pressione selettiva verso la comparsa di barriere riproduttive ed una

completa speciazione• Limitato, ma misurabile, flusso genico con la popolazione di origine


Slides di Backup


“There was a widespread belief among early cytogeneticists that chromosomal rearrangement was the essential step in

speciation. Proposed as an alternative to geographic speciation, the chromosomal speciation hypothesis is not valid.”

(Ernst Mayr, 1963)&

“The fact of chromosomal speciation poses a problem” Mayr (Ernst Mayr, 1982)

Posizioni storiche sulla speciazione cromosomica

BACKUP SLIDE


Frequenza di riarrangiamenti cromosomici

OBSERVED RATES OF CHROMOSOMAL REARRANGEMENTS: WITHIN SPECIES

Species Type Incidence AuthorityHomo sapiens Robertsonian Translocation (RBT) 1:1,000 (0.1 %) Wang et al. (2013) and

Abdalla et al. (2013)Homo sapiens RBT, balanced translocations, inversions 6:1,000 to 1:100 (0.6% to 1%) O’Neill (2010)Homo sapiens Chromosomal inversions 1:100 to 3:100 (1% to 3%) Shaw et al. (2004) and

Hsu et al. (1987) Homo sapiens Fusion of chromosome 21 (Down

syndrome)3x10-5 per gamete per generation (0.003%) Hamerton (1971)

Homo sapiens Fusions of smaller chromosomes 10-4 per individual (0.01%) Lande (1979)Homo sapiens Pericentric inversions 0.4 x 10-4 per individual (0.004%) Lande (1979)Homo sapiens Various, balanced and unbalanced 112:14,667 (0.7631%) Jacobs et al. (1992)Homo sapiens Various, balanced 32:14,667 (0.218%) Jacobs et al. (1992)Homo sapiens Various, unbalanced 80:14,667 (0.5451%) Jacobs et al. (1992)Homo sapiens Reciprocal translocations 39:14,667 (0.2657%) Jacobs et al. (1992)Various Multiple types 1:500 (0.2%) White (1978)Drosophila (various) Reciprocal translocations 10-4 to 10-3 per gamete per generation (0.01%

to 0.1%)Lande (1979)

Drosophila ananassae Reciprocal translocations 2:5,600 (0.0357%) Yamaguchi et al. (1976) D.melanogaster (wild strains)

Reciprocal translocations 1:531 (0.188%) Berg (1941)

D.melanogaster(laboratory strains)

Pericentric inversions 3 x 10-3 (0.3%) Yamaguchi (1976)

Gekkonid lizards Pericentric inversions 1:24 (4.166%) King (1983) Rumex acetosa Multiple types 1:50 (2%) Parker et al. (1988)Scilla autumnalis Multiple unique chromosomal

rearrangements (mostly centromeric shifts)

1:20 to 1:10 (5% to 10%) Parker et al. (1988)

Range: tra 0.003% e 10% m=1.331%, s=2.50%

BACKUP SLIDE


Effetti dei diversi riarrangiamenti cromosomici

Type of rearrangement Heterotic effect (Negative, Neutral or positive)

Deletion Potentially negative, depending on nature of lost portion (gene effects)

Insertion Potentially negative, depending on nature of duplicated/inserted portion (gene effects)

Reciprocal Translocations Strongly negatively heterotic in heterozygotes. Neutral in homozygotes.

Tandem Fusion Negatively heterotic.Robertsonian Fusion Potentially negatively heterotic, dependent on specific fusion/translocation.

X-Autosome translocations Potentially negatively heterotic, dependent on specific fusion/translocation. Compounded by X inactivation effects (Haldane’s rule).

X-Autosome fusions Potentially negatively heterotic, dependent on specific fusion/translocation. Compounded by X inactivation effects (Haldane’s rule).

Pericentric Inversions Minor negatively heterotic effects. Often polymorphic. Mechanisms of chiasmata suppression often noted.

Paracentric Inversions Minor negatively heterotic effects. Often polymorphic. Mechanisms of chiasmata suppression often noted.

Heterochromatin additions Generally no negatively heterotic effects. Often polymorphic.

BACKUP SLIDE


Effetti delle translocazioni bilanciate sui gameti

WT X NS cross

Wild Type(WT)

Translocated Homozygote

(NS)Resulting Chromosomal Asset Balanced (Y/N) Resulting

genotypeViable fraction of possible matings

Gametes ABCD BCAD ABCD/BCAD Y M1 100%

Overall cross viability 1Gli incroci tra Wild Type e Traslocato

producono 100% di progenie Ibrida

eterozigote Wild Type/Traslocato.

La progenie è prodotta in numeri normali.

BACKUP SLIDE



WT X WT cross

Wild Type(WT)

Wild Type(WT) Resulting Chromosomal Asset Balanced (Y/N) Resulting


Gametes ABCD ABCD ABCD/ABCD Y WT 100%

Overall cross viability 1Gli incroci tra Wild Type e Wild Type

producono 100% di progenie Wild Type

Omozigote.


BACKUP SLIDE



NS X NS cross


(NS)


(NS)Resulting Chromosomal Asset Balanced (Y/N) Resulting


Gametes BCAD BCAD BCAD/BCAD Y NS 100%

Overall cross viability 1Gli incroci tra Traslocato e Traslocato

producono 100% di progenie Traslocato

Omozigote.


BACKUP SLIDE



WT X M1 cross

Wild Type(WT)

Translocated Heterozygote

(M1)

Resulting Chromosomal

AssetBalanced (Y/N) Resulting


Gametes ABCD ABCD ABCD/ABCD Y WT 1/4

Gametes ABCD BCAD ABCD/BCAD Y M1 1/4

Gametes ABCD ABAD ABCD/ABAD N None 0

Gametes ABCD BCCD ABCD/BCCD N None 0

Gametes ABCD ABBC ABCD/ABBC N None 0

Gametes ABCD CDAD ABCD/CDAD N None 0

Overall cross viability 1/2Gli incroci tra Traslocato e Ibrido producono 50% di progenie WT e 50% di progenie ibrido. La progenie è prodotta in quantità dimezzata rispetto al normale.

BACKUP SLIDE



NS x M1 Cross


(NS)

Translocated Heterozygote

(M1)

Resulting Chromosomal Asset Balanced (Y/N) Resulting

genotype

Viable fraction of

possible matings

Gametes BCAD ABCD BCAD/ABCD Y M1 1/4

Gametes BCAD BCAD BCAD/BCAD Y NS 1/4

Gametes BCAD ABAD BCAD/ABAD N None 0

Gametes BCAD BCCD BCAD/BCCD N None 0

Gametes BCAD ABBC BCAD/ABBC N None 0

Gametes BCAD CDAD BCAD/CDAD N None 0

Overall cross viability 1/2

Gli incroci tra Traslocato e Ibrido producono 50% di progenie Traslocato e 50% di progenie ibrido. La progenie è prodotta in quantità dimezzata rispetto al normale.

BACKUP SLIDE



M1 x M1 CrossTranslocated Heterozygote

(M1)Translocated Heterozygote

(M1) Resulting Chromosomal Asset Balanced (Y/N) Resulting genotype Viable fraction of possible matings

Gametes ABCD ABCD ABCD/ABCD Y WT 1/16Gametes ABCD BCAD ABCD/BCAD Y M1 1/16Gametes ABCD ABAD ABCD/ABAD N None 0Gametes ABCD BCCD ABCD/BCCD N None 0Gametes ABCD ABBC ABCD/ABBC N None 0Gametes ABCD CDAD ABCD/CDAD N None 0Gametes BCAD ABCD BCAD/ABCD Y M1 1/16Gametes BCAD BCAD BCAD/BCAD Y NS 1/16Gametes BCAD ABAD BCAD/ABAD N None 0Gametes BCAD BCCD BCAD/BCCD N None 0Gametes BCAD ABBC BCAD/ABBC N None 0Gametes BCAD CDAD BCAD/CDAD N None 0Gametes ABAD ABCD ABAD/ABCD N None 0Gametes ABAD BCAD ABAD/BCAD N None 0Gametes ABAD ABAD ABAD/ABAD N None 0Gametes ABAD BCCD ABAD/BCCD Y M1 1/64Gametes ABAD ABBC ABAD/ABBC N None 0Gametes ABAD CDAD ABAD/CDAD N None 0Gametes BCCD ABCD BCCD/ABCD N None 0Gametes BCCD BCAD BCCD/BCAD N None 0Gametes BCCD ABAD BCCD/ABAD Y M1 1/64Gametes BCCD BCCD BCCD/BCCD N None 0Gametes BCCD ABBC BCCD/ABBC N None 0Gametes BCCD CDAD BCCD/CDAD N None 0Gametes ABBC ABCD ABBC/ABCD N None 0Gametes ABBC BCAD ABBC/BCAD N None 0Gametes ABBC ABAD ABBC/ABAD N None 0Gametes ABBC BCCD ABBC/BCCD N None 0Gametes ABBC ABBC ABBC/ABBC N None 0Gametes ABBC CDAD ABBC/CDAD Y M1 1/64Gametes CDAD ABCD CDAD/ABCD N NoneGametes CDAD BCAD CDAD/BCAD N NoneGametes CDAD ABAD CDAD/ABAD N NoneGametes CDAD BCCD CDAD/BCCD N NoneGametes CDAD ABBC CDAD/ABBC Y M1 1/64Gametes CDAD CDAD CDAD/CDAD N None

Overall cross viability 5/16

Gli incroci tra Ibrido e Ibrido producono 1/5 di progenie WT , 1/5 di progenie Traslocato e 3/5 di progenie Ibrido. La progenie è prodotta in quantità di 5/16 rispetto al normale.

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Simulazioni di popolazioni traslocate: Effettidella migrazione di individui Wild TypeSe si effettuano molteplici simulazioni con diverse condizioni iniziali si vede facilmente quali siano le dinamiche di una popolazione traslocata.

Number of Generations

Starting W/N Starting M/R Max. Random Influx

Probability of influx per

generationResult of simulation

W/W W/N N/N M/M M/R R/RSimulations without flux of WT immigrants

100 0 0 1 1 0 0 0% 0% Stable NN, as per HW law.

100 0 1 0 1 0 0 0% 0%Equilibrium between WW, WN and NN types as per HW law (Unstable

equilibrium)100 1 0 0 1 0 0 0% 0% Stable WW, as per HW law.

100 1 1 1 1 0 0 0% 0%Equilibrium between WW, WN and NN types as per HW law (Unstable

equilibrium)100 100 100 101 1 0 0 0% 0% NN fixes over time100 101 100 100 1 0 0 0% 0% WW fixes over time100 0 1 0 0 0 1 0% 0% NNRR fixes over time

100 0 1 0 0 1 0 0% 0% NN fixes, M & R in stable equilibrium over time.



La resistenza alla migrazione dipende sia dall’entità della migrazione sia dalla frequenza dell’evento migratorio, si tratta di una combinazione dei due fattori.

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Effetti della presenza di un gene R sui possibili incrocidi una popolazione composta da individui translocati,Wild Type e possibili incroci.

WW rejection caseGenotype target of mating attempt

WWMM WWMR WWRR WNMM WNMR WNRR NNMM NNMR NNRR

Genotype trying to mate a b c d e f g h i

WWMM a a2 ab ac ad ae af ag ah ai

WWMR b ab b2 bc bd be bf bg bh bi

WWRR c ac bc c2 cd ce cf cg ch ci

WNMM d ad bd cd d2 de df dg dh di

WNMR e ae be ce de e2 ef eg eh ei

WNRR f af bf cf df ef f2 fg fh fi

NNMM g ag bg cg dg eg fg g2 gh gi

NNMR h ah bh ch dh eh fh gh h2 hi

NNRR i ai bi ci di ei fi gi hi i2

Color Code

Mating refused

Mating not attempted

Mating successful

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Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di ReinforcementIpotizziamo ora la comparsa di un gene R, il cui effetto sia di far rifiutare alportatore l’accoppiamento con individui WT ed anche con individui WN(risultando così in una maggiore fitness). Gli accoppiamenti ora sono piùcomplessi ed alcuni genotipi non possono esistere:

WW rejection caseGenotype target of mating attempt

WWMM WWMR WWRR WNMM WNMR WNRR NNMM NNMR NNRRGenotype trying to

mate a b c d e f g h i

WWMM a a2 ab ac ad ae af ag ah ai

WWMR b ab b2 bc bd be bf bg bh bi

WWRR c ac bc c2 cd ce cf cg ch ci

WNMM d ad bd cd d2 de df dg dh di

WNMR e ae be ce de e2 ef eg eh ei

WNRR f af bf cf df ef f2 fg fh fi

NNMM g ag bg cg dg eg fg g2 gh gi

NNMR h ah bh ch dh eh fh gh h2 hi

NNRR i ai bi ci di ei fi gi hi i2

Color CodeNonexistent mating due to non-existing genotype

Mating refusedMating not attempted

Mating successful

Si noti come i portatori del gene R si comportino, sostanzialmente, come una popolazione separata.

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Dinamiche di popolazione studiate: Popolazionetraslocata con gene di ReinforcementIn questo caso, tuttavia, osserviamo come il gene R porti al fissazione delgenotipo NNRR se R risulta fissato in una popolazione di soli ibridi.Se tuttavia si ha una popolazione di ibridi per la traslocazione e per il geneR si osserva il raggiungimento di un equilibrio in cui il genotipo traslocatosi fissa ed il gene R si stabilizza nella popolazione ad un valore di circa il45%. Vedremo come questo valore sia leggermente diverso da quello diequilibrio che occorre per frazioni diverse di R.

Popolazione di soli ibridi WN con gene R fissato.

Genotipo NNRR fissa in circa 30 generazioni.

Popolazione di soli ibridi WN con gene R al 50%.Genotipo NN fissa in circa 30 generazioni. Si instaura

equilibrio stabile tra gene M e gene R.

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100,000 generazioni di migrazione al 12% per generazione con 100% di probabilità. Gene R presente inizialmente con frequenza di 1/3 (frequenza di equilibrio).

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Ruoli di fattori chiave nel processo di speciazione cromosomicaDurante la fase di emergenza iniziale del riarrangiamento cromosomico ilrisultato più frequente sarà di gran lunga l’estinzione del cariotipotraslocato.

1. - Initial emergence of Rearrangement phaseFactor Effect on ultimate

destiny of rearrangement

Magnitude of effect Likelihood of effect

Local Population size Extinction Proportional to population size Directly proportional to population size, almost certain

for population sizes larger than 50 individuals.

Stochastic factors Extinction or Fixation Inversely proportional to population size

Drift, population bottlenecks and other random factors can push the translocation either to extinction or to local fixation. Given the negatively heterotic effects of the rearrangement, this will only apply to populations that are relatively small.

Mating with original karyotype carriers

Extinction Proportional to relative size of introgression

Mating with original karyotype carriers will increase the fraction of original karyotype versus rearranged karyotype. Given the final destiny of the translocation is frequency dependent (it can only fix if it manages to pass 50% frequency in the population), the effect of immigration in early stages is towards extinction.

Selective pressure ExtinctionProportional to negatively heterotic effects of rearrangement

Heterozygotes show reduced fitness, strong selective pressure against carriers of translocation (selection is against the rarer karyotype).

Cumulativeeffect:

Extinction In the initial stages extinction of the translocated karyotype is, by several ordersof magnitude, the most probable outcome.

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Ruoli di fattori chiave nel processo di speciazione cromosomicaDurante la fase di post fissazione del riarrangiamento cromosomico ilrisultato più frequente sarà la fissazione del cariotipo traslocato, a meno dimassicce migrazioni da parte di individui Wild Type.

2 – Post-fixation phaseFactor Effect on ultimate



Local Population size Fixation Proportional to population size

The faster the translocated population can grow, the more it will be resistant to introgression from the original population (the percentile impact of a set number of individuals migrating from the original population will be smaller, the larger the translocated population size is).

Stochastic factors Neutral Neutral During this stage stochastic factors play a neutral role since the rearrangement is fixed.

Mating with original karyotype carriers Extinction Proportional to amount of

introgression

If the original karyotype migrates into the new population in sufficiently large numbers to surpass 50% of frequency, it will replace the rearranged karyotype.

Selective pressure FixationProportional to negatively heterotic effects of rearrangement

Heterozygotes show reduced fitness, there is strong selective pressure against carriers of the original karyotype (selection is against the rare karyotype).

Cumulative effect: Fixation Unless massive immigration (or reabsorption by original population) occurs, the rearranged karyotype is stable and resists introgression by the original karyotype.

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Ruoli di fattori chiave nel processo di speciazione cromosomicaDurante la fase di reinforcement del riarrangiamento cromosomico ilrisultato più frequente sarà la speciazione del cariotipo traslocato.

3 – Reinforcement phase

FactorEffect on ultimate



Local Population size

Speciation Proportional to population size The larger the translocated population is, the more it will be resistantto introgression from the original population. Additionally, the moreindividuals are present, the higher the chances of reinforcementgenes appearing in the gene pool are.

Stochastic factors

Speciation Proportional to the neo-mutation rate

Reinforcement genes will appear in response to stochastic factors(neo-mutation) and will be fixated if mating occurs with originalkaryotypes due to selective advantage. Genetic drift will also providedifferentiation at genetic level from original species, adding to theprobability of speciation.

Mating with original karyotype carriers

Speciation

(more rarely Extinction)

Proportional to frequency of mating, as long as within limits

that prevent invasion and extinction of new karyotype

The more the new population is subjected to small migratory events,the quicker the reinforcement genes will increase in the population,increasing the reproductive barriers and leading to speciation.

Selective pressure

Speciation Proportional to amount of contact with original

population.

Selective pressure will both ensure that the rarer karyotype (the non-translocated one) doesn’t invade the new population as well asselecting in favor of reinforcement genes.

Cumulativeeffect:

Speciation Once reinforcement occurs, speciation becomes the most likely event.

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chromosomal rearrangements as speciation mechanisms - italiano

Science